嵌入式FPGA/SoPC技术实验与实践教程

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件、EDA青将胶想冷试代笑依声技术、嵌入式系统、SoC、So伯缺居本仅皇修PC和IP核等新概念和新技术层出不穷，新技术的应用迅速渗透到电子、通信、信息、机械制造、仪器仪表段任攻指、航空航天及家用电器等领域军跑考永假剂弱晶，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。微电子技术(即大规模集成电路加工技术)的发展是现代电积子技术发展的基础。目前，很鲜知参态划责固手仅在硅片单位面积上集成的晶体管数量越来越多，原来需要成千上万只电子元器件组成的电子设备电路，现在仅用几片或单片超大规模集成延汉十电路就可以实现。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半况演婷二期导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相息值者友洋数单步必数结合后的产物，这一特点决定了它是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统课程又是一门多学科交叉的课程，涉及微机原理评座传贵均杀广额与接口、计算机组成原理、操作系统、编译技术、网络通信、人机交互、软件测还材二括酒样照游远文陈试、软硬件协同设计等诸多知识点，授课内容概括性强。现在是后PC时代，作为电子信息技术、计算机专业，掌握嵌入式系统是一门必需的技术。嵌入式系统是I镇据织么个在求准想保假T行业中重要的应用领域。为了适应新形势的要求，以与时俱进的教学理念进行教学实践。

由于近几年来，众多的嵌入式系统新产品不断问世，国内外各大IT公司纷纷投入巨资加紧研发，后PC时代的来临，促进针陆冷此燃海因上密短了科技进步和经济发展。月渐伟则伴随着通信网络、计算机际技术和微电子技术的高速发展，嵌入式系统已成为IT业的一个焦点。同时在数字信息技术和网络技术高地欢主特使试速发展的后PC时代，嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等诸多优点，已渗透到工业、军事、医疗以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程和提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。

另外，嵌入式领域的迅速发展，使得FFGA作为主芯片的嵌入式应用方向已被逐渐接受，在国内高校之中已有部分高校开设了FPGA和SoPC的课程; 但是嵌入式领域又是以实验为中心任务的，因此在FPGA和SoPC的教学中不应死读教材而应该通过大量的实验练习，才能快速理解基本的理论知识，并提高动手能力。

SoPC(System on a Programmable Chip)称为可编程片上系统，它基于可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)可重构的片上系统(SoC)。SoPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环(PLL)、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决SoC方案，而且设计周期短，设计成本低。目前，SoPC技术已成为备受众多中小企业、研究所和大专院校青睐的设计技术，是实现嵌入式系统的最高形式。SoC设计技术将是21世纪的技术发展趋势，是现在高校和社会嵌入式培训班必需的内容和亮点。目前，SoPC技术已成为备受众多企业、研究所和大专院校青睐的设计技术(国内有近60几所高效开展了Verilog语言课程和基于Altera SoPC的(联合实验室)实验教学)。

EDA/SoPC技术是进入21世纪以来发展最迅猛的电子设计技术之一，以其设计灵活、可裁剪、软硬件可编程等特点和优势，备受设计者关注。随着信息技术的发展普及以及市场强有力的驱动，设计需求日趋多样化，系统设计越来越复杂，开发时间越来越紧迫。利用已有IP核是快速实现应用系统，缩短产品开发周期的有效途径。Altera的Nios Ⅱ是用户可以随意配置核构建的32位嵌入式处理器IP核，采用Avalon总线结构通信接口，包含由FS2

(First Silicon Solutions公司。FS2公司专门致力于芯片知识产权(IP)、设计服务和针对SoC、SoPC、FPGA、ASSP和ASIC器件的编程、测试、调试和嵌入式跟踪片上仪器的开发工具)

开发的基于JTAG的片内设备内核。使用Nios Ⅱ处理器的用户可以根据他们的需要来调整嵌入式系统的特性、性能以及成本，快速使得产品推向市场，扩展产品的生命周期，并且避免处理器的更新换代。

SoPC的整体解决方案以及Nios软核概念的提出，彻底颠覆了传统嵌入式系统的设计理念，从硬件和软件整体设计上将嵌入式系统的设计进行了极大地推动，使得嵌入式系统的硬件设计更加简单高效、易于理解，软件设计更加可视化、可移植性更强。嵌入式学习必须以实验为中心，因此应该在FPGA及SoPC的教学中通过大量的实验练习才能快速理解理论知识。

本书使用的是Quartus Ⅱ9.0 Free版精选了几个有代表性的实验，通过练习不仅可以掌握工具的使用，还可以达到掌握基于FPGA及SoPC技术的嵌入式系统设计的理论知识的目的。首先基于当前流行的集成开发环境ADS，使读者渐渐进入角色，同时以实例的形式掌握C语言与汇编的混合编程编译与调试，在练习的过程中掌握工具的使用、硬件知识及软件编程方法。本书力图在总体结构和内容编排上具有系统性、启发性和实用性，做到由浅入深、循序渐进、易于入门，便于自学和适于教学。在做实验的过程中，领会和掌握基本理论知识，在完成实验后争取达到理论的升华。一本教材同时也应该是一本好的参考书，能够提供许多的资源。综合创新实验则以基本实验为基础与实际应用相结合，由学生自行设计，自由发挥。旨在注重培养学生的动手能力，发现问题和解决问题的能力。目的是培养复合型、创新性新世纪人才。"创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力"。

"微机原理与接口技术"、"嵌入式系统"、DSP及SoPC等系列实践教程是围绕甘肃省教学成果"嵌入式系统课程群建设及创新型人才培养"而展开的。非常感谢我的导师马义德教授的引导、帮助和鼓励，以及其他老师和同仁的帮助和指导。

作者

2011年6月