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电工电子实验中心

电工电子实验中心. 实验一、 Quartus II 开发环境. 下载区. 数码管指示 灯输出单元. 模拟信号 输入单元. 液晶屏. 电机输出单元. 下载目标板. 频率 输出单元. 点阵输出单元. 频率 选择单元. 单片机下载单元. 数字量输入单元. A/D 和 D/A 处理单元. 实验一、 Quartus II 开发环境. 实验一、 Quartus II 开发环境. SW1 ～ SW16 是拨码开关，向上为 1 ；向下为 0 。 本实验箱指定了 SW1 ～ SW8 的端口（见附录）；而 SW9 ～ SW16 未指定端口，不能使用。.

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Presentation Transcript

  1. 电工电子实验中心

  2. 实验一、Quartus II开发环境 下载区 数码管指示 灯输出单元 模拟信号 输入单元 液晶屏 电机输出单元 下载目标板 频率 输出单元 点阵输出单元 频率 选择单元 单片机下载单元 数字量输入单元 A/D和D/A处理单元

  3. 实验一、Quartus II开发环境

  4. 实验一、Quartus II开发环境 SW1～SW16是拨码开关，向上为1；向下为0。 本实验箱指定了SW1～SW8的端口（见附录）；而SW9～SW16未指定端口，不能使用。 注意：SW7和SW8 的端口号。 对应的管脚，参考实验报告书后面

  5. 实验一、Quartus II开发环境 组合逻辑 对应的管脚，参考实验报告书后面 AN1～AN8是按键开关，按下为1；不按为0。（端口号见附录）

  6. 实验一、Quartus II开发环境 时序逻辑 有5个时钟源 CLK1～CLK5，端口号见附录。 使用时，将短路块插在所需频 率的跳针上即可。 对应的管脚，参考实验报告书后面

  7. 实验一、Quartus II开发环境 8个数码管 LED1～LED8，端口号见 附录。 数码管采用扫描方式显 示，8个数码管的对应笔段 共用同一端口，利用 74LS138输出片选，任一 时刻只选通一个数码管， 当扫描频率足够快时，可 看作同时显示。 对应的管脚，参考实验报告书后面

  8. 实验一、Quartus II开发环境 如： 当指定S3S2S1＝011时， 则选通左边第四个数码管

  9. 实验一、Quartus II开发环境 12个发光二极管 D112～D101，端口号见 附录。 高电平点亮，低电平熄灭

  10. 实验一、Quartus II开发环境

  11. 实验一、Quartus II开发环境 主 芯片

  12. 一、实验目的 1：练习使用QUARTUS II 7.1软件，掌握利用该软件进行简单EDA设计的基本流程。 2：完成一个通过拨码开关控制发光二极管亮灭的应用，实验结束后可独立完成思考题。 实验一、Quartus II开发环境

  13. 实验一、Quartus II开发环境 二、实验内容及步骤 步骤一：项目的创建 （1）.建立工程，设计输入。选择菜单“File”→“New Preject Wizard”

  14. （2）点击Next，为工程选择存储目录、工程名称、顶层实体名等，如图1-3 所示； （3）点击Next，若目录不存在，系统可能提示创建新目录，如图1-4所示， 点击“是”按钮创建新目录，系统显示如图1-5所示； （4）系统提示是否需要加入文件，在此不添加任何文件； （5） 点击Next，进入设备选择对话框，如图1-6，这里选中实验箱的核心 芯片CYCLONE系列FPGA产品EP1C6Q240C8； （6）点击Next，系统显示如图1-7，提示是否需要其他EDA工具，这里不选 任何其他工具； （7）点击Next后，系统提示创建工程的各属性总结，若没有错误，点击 Finish，工程创建向导将生成一个工程，这时软件界面如图1-8，在窗口左侧显示出设备型号和该工程的基本信息等。 实验一、Quartus II开发环境

  15. 实验一、Quartus II开发环境 Cyclone系列的EP1C6Q240C8 图1-6

  16. 实验一、Quartus II开发环境 图1-7

  17. 实验一、Quartus II开发环境 步骤二：VHDL文本编辑输入 1.选择File/New或点击主菜单中的空白图标，进入新建程序文件状态，选择VHDL file 。VHDL程序文件的扩展名是：* .vhd 为实现用一个拨码开关控制一个LED亮灭的功能，可用VHDL编写一个程序实现

  18. 实验一、Quartus II开发环境 2.点击OK按钮进入VHDL文本编辑环境界面

  19. 实验一、Quartus II开发环境 3、在编辑窗口中编辑以下程序： library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entity test is Port ( led:out std_logic; key:in std_logic ); end test; architecture Behavioral of test is begin led <= key; end Behavioral;

  20. 实验一、Quartus II开发环境 4、输入程序后，存盘，如图1-10所示： 图1-10

  21. 实验一、Quartus II开发环境 5.点击Processing->Start Compilation编译该文件，系统将开始编译，结束后，给出提示信息和编译结果，如图1-11所示： 图1-11

  22. 实验一、Quartus II开发环境 6.点击Assignment->Pins进行引脚分配，实验箱上拨码开关和LED对应的引脚分别为58和98，分配结果如图1-12所示。

  23. 7.参照步骤（5）重新编译系统，系统将生成FPGA配置文件，在编译过程中若显示警告可不理会；7.参照步骤（5）重新编译系统，系统将生成FPGA配置文件，在编译过程中若显示警告可不理会； 8.准备下载，注意打开实验箱电源，并连接下载电缆； 9.点击Tools->Programmer将配置文件下载到FPGA，系统显示如图1-13所示，注意选择下载模式为JTAG，若下载线硬件显示“No Hardware”（如图1-13所示），则点击Hardware Setup按钮，系统显示如图1-14，双击USB-Baster，设定其为当前选定硬件，再点Close返回。 实验一、Quartus II开发环境

  24. 实验一、Quartus II开发环境 图1-13 下载界面

  25. 实验一、Quartus II开发环境 图1-14 下载线配置

  26. 实验一、Quartus II开发环境 图1-15 配置好下载电缆的下载界面

  27. 观察实验效果，尝试开关拨码开关K1，发光二极管D1-1将随之亮灭。观察实验效果，尝试开关拨码开关K1，发光二极管D1-1将随之亮灭。 实验一、Quartus II开发环境

  28. 通过本实验学生应掌握QUARTUS 7.1软件的基本使用方法和利用该软件进行EDA设计的基本流程。本实验的内容虽然简单，但却是进行复杂设计的基础。 实验一、Quartus II开发环境 三、实验总结

  29. 实验一、Quartus II开发环境 四、思考题 • 本实验是利用1个拨码开关控制1个LED，现要求利用8个拨码开关控制8个LED，在现有的实验环境下完成。实验箱上8个拨码开关控制8个LED对应的FPGA引脚为：

  30. 一、实验目的及要求： 1、学习使用QUARTUS II 7.1、SOPC Builder、NIOS II IDE软件，掌握利用这些软件进行简单SOPC设计和调试的基本流程； 2、完成一个简单的NIOS II CPU设计，通过JTAG-UART接口向计算机发送一段字符串。 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  31. 二、实验环境及器材： 1、微机（已安装授权的QUARTUS II 7.1、SOPC Builder、NIOS II IDE） 2、EDA/SOPC实验开发系统 3、USB Blaster下载线一根

  32. 三、背景知识及操作流程： NIOS II 软核CPU是ALTERA公司2005年推出的新一代软核CPU产品，较其前一代产品NIOS，在用户界面、可调试性等方面都有了很大的改进，目前最新版本为7.1。NIOS II设计工具为SOPC BUILDER，已嵌入到QUARTUS II软件中，调试工具为NIOS II IDE。 本实验设计一个含NIOS II CPU的简单应用，可在控制台显示一段字符串，具体实验步骤如下： （1）启动QUARTUS软件并建立一个工程，其过程请参照实验1，在此不作赘述，工程名不妨命名为hello； （2）点击Tools->SOPC Builder，启动SOPC Builder，如图5-1所示； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  33. （3）启动SOPC Builder后，系统提示输入系统名以及目标语言，这里可随意为系统命名，不妨命名为MYCPU，请注意该名称将在后面的设计中用到，因此最好命名为有意义的名字，目标语言不妨选VHDL； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  34. （4）点击OK，系统显示SOPC Builder界面，窗口左侧为IP核列表，右侧为设计界面，下方为信息窗口。由于实验箱上FPGA的工作时钟为24MHz，因此须更改时钟设置，只要鼠标双击频率数并进行修改即可； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  35. （5）下面就可以为设计添加组件了，首先双击左侧的Nios II Processor，为系统添加Nios II CPU，系统显示如图2-4，Nios II的类型分为经济型、标准型和完全型三种，这里选标准型，即Nios II/s，其他选项取默认值即可，点击Finish，系统显示如图2-5所示； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  36. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  37. （6）最好为添加的CPU更改个名字，用鼠标右键点击CPU，选Rename为其更名，不妨更名为MYNIOS，系统显示如图2-6所示，请注意这时信息窗有三行提示，可暂时不去管它。（6）最好为添加的CPU更改个名字，用鼠标右键点击CPU，选Rename为其更名，不妨更名为MYNIOS，系统显示如图2-6所示，请注意这时信息窗有三行提示，可暂时不去管它。 （7）继续为设计添加组件，在左侧列表中选择On Chip Memory(ROM or RAM)，双击后，系统显示如图2-7；首先为系统添加片上ROM，在内存类型上选ROM，数据宽度选32位，容量选1Kbytes，其他内容可不作修改； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  38. （8）类似（6），为设计添加1K字节片上RAM组件，其选项界面如图2-9所示，添加完成后将其更名为RAM。添加完ROM和RAM后，请将它们的基地址分别更改为0x00001000和0x00002000，如图2-10所示；（8）类似（6），为设计添加1K字节片上RAM组件，其选项界面如图2-9所示，添加完成后将其更名为RAM。添加完ROM和RAM后，请将它们的基地址分别更改为0x00001000和0x00002000，如图2-10所示； （9）设计添加UART JTAG组件，从左侧列表中选择UART JTAG并双击，系统显示，不用更改设置，直接点击Finish，完成所有组件的添加，系统显示如图2-12； （10）MYCPU为其设置复位向量和异常向量，如图2-13所示，复位向量的内存选ROM，异常向量的内存选RAM，地址不用改变； （11）至此，CPU的所有组件添加完毕，点击Generate开始生成CPU。 （12）生成过程结束后，系统给出相应提示“System generation was successful”，如图2-14所示，至此CPU设计完成。 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  39. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  40. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验 图2-12 添加完成所有组件

  41. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验 图2-14 CPU生成完毕

  42. CPU设计完成后，返回到Quartus窗口，利用顶层图的设计方法进行该CPU的应用设计，具体步骤如下： （1）新建一个BDF文件，系统显示BDF设计窗口，点击Symbol Tools后，展开左侧的Library，在Project下出现一个组件，名称为MYCPU，如图2-15所示，这就是刚才生成的CPU，双击该CPU将其加入设计窗口； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  43. （2）类似实验1的操作，添加两个INPUT类型的PIN，分别连接到MYCPU的clk和reset_n，并更名为CLOCK和RESET，如图2-16所示，这两个引脚分别是所设计CPU的时钟和复位引脚；（2）类似实验1的操作，添加两个INPUT类型的PIN，分别连接到MYCPU的clk和reset_n，并更名为CLOCK和RESET，如图2-16所示，这两个引脚分别是所设计CPU的时钟和复位引脚； （3）存盘，命名为hello.bdf； （4）编译系统，注意本设计目前还未进行引脚锁定，因此编译过程可在进行完Analysis & Synthesis后人为中断； （5）类似实验1操作，对CLOCK和RESET两个引脚进行锁定，它们对应的FPGA引脚分别为28和240； （6）再次编译系统，直到最后结束，在编译过程中可能会出现若干警告可不去理会；编译结束后将生成相应的配置文件hello.sof; （7）类似实验1操作，将hello.sof下载到FPGA； 至此，实验箱上的FPGA已经成为一个具有调试接口的CPU，可对其进行编程令其完成某些操作，本实验令其通过JTAG UART向计算机发送一段字符串并显示到计算机控制台，具体操作如下： （1）启动NIOS II IDE后，点击File->New->NIOS II C/C++ Application，如图2-17所示； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  44. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  45. （2）在name栏中为工程名命名，不妨为hello；在location栏中指定存储位置；在SOPC Builder System PTF File栏内指定该工程所用到的CPU，本例为刚才创建的MYNIOS； 在工程模板列表中选Hello World Small，由于本例设计的CPU只有少量的RAM，不能选Hello World模板。完成以上设置后，点击Next，此页面的设置不做任何修改，点击Finish，系统将按Hello World Small工程模板为本应用创建工程，创建结束后，在NIOS II IDE 左侧的工程列表中将多出两个，一个是hello，另外一个是hello_syslib，同时创建了若干C源文件，其中包括main函数的文件如图2-18所示： 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  46. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验 图2-18 NIOS II IDE创建完成的hello工程

  47. （3）用户可对该源文件进行修改，实现用户要求的功能，例如在alt_putstr语句下添加一条新语句：（3）用户可对该源文件进行修改，实现用户要求的功能，例如在alt_putstr语句下添加一条新语句： alt_printf(“Hello from SOPC Lab!\n”); （4）存盘后，鼠标右键点击左侧的hello工程名，选Build Project，开始对该工程进行编译。与一般的编译工具类似，若程序中存在错误，NIOS II IDE也会给出错误信息，供用户更改程序。 （5）若编译成功，则可运行，选择Run->Run，系统显示如图2-19，为了使程序在实验箱上运行，可用鼠标右键点击Nios II Hardware，并选择New，系统将创建一个新的运行配置文件，如图2-20所示。请注意，若NIOS II IDE同时包含多个工程，在进行此步操作之前，一定要在窗口左侧的工程列表中将要运行的工程名选中。 （6）点击Run，则系统开始运行，请注意，该应用是在实验箱FPGA上的CPU运行的，运行结果如图2-21所示； 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

  48. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验 图2-21 运行结果

  49. 实验二 SOPC基础实验——Hello实验 （7）在屏幕下方的控制台窗口中显示的就是该应用的运行结果，由显示结果看，程序运行正确，可点击红色的终止按钮或Ctrl-C结束运行；

  50. 至此，一个完整的NIOS II应用设计、运行完成。NIOS II CPU支持调试，即单步执行、察看变量值等操作，下面简单介绍一下调试过程： 为说明问题，将上面程序作简单修改如图2-22所示，编译通过后，点击Run->Debug，系统显示类似图2-20，再点击Debug开始调试，系统显示如图2-23，这时可按F6单步执行，注意观察屏幕右上方窗口显示的变量值的变化，可点击红色的终止按钮结束程序调试。 实验二 SOPC基础实验——Hello实验

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