领航者ZYNQ之FPGA开发指南.pdf
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2020年11月23日
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正点原子领航者FPGA开发指南参考书籍
FPGA 器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA 的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。
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内容简介
领航者ZYNQ之FPGA开发指南将由浅入深的带领大家开启ZYNQ的学习之旅。本手册主要学习ZYNQ的 PL(Program Logic，可编程逻辑)部分，共分为硬件篇、软件篇、语法篇与实战篇共四个篇章。
硬件篇：硬件篇主要介绍本手册的硬件实验平台以及硬件资源详解。
软件篇：软件篇主要介绍 FPGA 常用开发软件的安装教程与使用方法。
语法篇：语法篇主要介绍 FPGA 的硬件描述语言 Verilog 的语法知识。
实战篇：实战篇主要通过 21 个实例带领大家一步步深入了解 FPGA。
本手册为领航者 ZYNQ 开发板的配套教程，在开发板配套的光盘里面，有开发板的原理图以及所有实例的完整代码，这些代码都有详细的注释，所有源码都经过我们严格测试，不会有任何编译错误。另外，源代码有我们生成好的 bit 文件(用于程序的文件)，大家只需要通过器到开发板即可看到实验现象，亲自体验实验过程。
本手册不仅非常适合广大学生和电子爱好者学习 FPGA，其大量的实验以及详细的注释，也是公司产品开发的不二参考。
目录大全
内容简介 .............................................................................. 9
前 言 .............................................................................. 10
第一篇 硬件篇 ................................................................... 11
ZYNQ简介 ................................................................. 12
ZYNQ简介 ..................................................................... 13
FPGA简介 ..................................................................... 15
ZYNQ PL简介 .................................................................. 20
ZYNQ PS简介 .................................................................. 26
实验平台简介 ............................................................. 31
领航者ZYNQ开发板资源初探 ..................................................... 32
领航者开发板底板资源 ................................................... 32
领航者开发板核心板资源 ................................................. 34
领航者ZYNQ开发板资源说明 ..................................................... 36
硬件资源说明 ........................................................... 36
软件资源说明 ........................................................... 42
硬件资源详解 ............................................................. 45
领航者ZYNQ的IO分配 ........................................................... 46
PL端的IO分配 ........................................................... 46
PS端的IO分配 ........................................................... 51
开发板底板原理图详解 ......................................................... 56
底板电源 ............................................................... 56
ZYNQ 启动模式 .......................................................... 59
有源蜂鸣器 ............................................................. 59
PL LED ................................................................. 60
PS LED ................................................................. 60
PL按键 ................................................................. 61
PS按键 ................................................................. 61
电容触摸按键 ........................................................... 62
14-Pin JTAG接口 ........................................................ 63
USB串口 ............................................................... 63
RS232 接口 ............................................................ 64
RS485 接口 ............................................................ 65
RGB LCD 模块接口....................................................... 66
XADC接口 .............................................................. 67
OLED/摄像头模块接口 ................................................... 68
EEPROM ................................................................ 68
实时时钟 .............................................................. 69
ATK模块接口............................................................ 70
I2S音频编解码 ......................................................... 71
HDMI接口 .............................................................. 72
PL端千兆以太网接口(RJ45)............................................. 74
USB 2.0接口 ........................................................... 76
Micro SD卡接口 ........................................................ 79
CAN接口 ............................................................... 80
IO扩展口 .............................................................. 81
开发板核心板原理图详解 ....................................................... 82
核心板电源 ............................................................. 82
ZYNQ主控芯片 ........................................................... 85
DDR3 SDRAM存储器 ....................................................... 88
6-Pin JTAG 接口......................................................... 91
PS复位按键 ............................................................. 92
PL LED ................................................................. 92
PS LED ................................................................. 93
PL时钟输入 ............................................................. 93
PS时钟输入 ............................................................. 93
PL配置状态指示灯 ...................................................... 94
PS端千兆以太网 ........................................................ 94
QSPI FLASH ............................................................ 96
eMMC .................................................................. 97
开发板使用注意事项 ........................................................... 98
ZYNQ的学习方法 ............................................................... 99
第二篇 软件篇 .................................................................. 101
Vivado软件的安装和使用 .................................................. 102
Vivado软件的安装 ............................................................ 103
Vivado软件的使用 ............................................................ 112
新建工程 .............................................................. 113
设计输入 .............................................................. 121
分析与综合 ............................................................ 127
约束输入 .............................................................. 131
设计实现 .............................................................. 134
比特流 ............................................................ 136
在线逻辑分析仪的使用 ........................................................ 141
HDL实例化调试探针流程.................................................. 142
Hardware Manager中观察调试信号......................................... 148
网表插入调试探针流程 .................................................. 153
在Vivado中进行功能仿真 ...................................................... 162
第三篇 语法篇 .................................................................. 178
Verilog HDL语法 ......................................................... 179
Verilog概述 ................................................................. 180
Verilog简介 ........................................................... 180
为什么需要Verilog ..................................................... 180
Verilog和VHDL区别 ..................................................... 180
Verilog和C的区别 ...................................................... 181
Verilog基础知识 ............................................................. 181
Verilog的逻辑值 ....................................................... 181
Verilog的标识符 ....................................................... 182
Verilog的数字进制格式.................................................. 182
Verilog的数据类型 ..................................................... 182
Verilog的运算符 ....................................................... 183
Verilog程序框架 ............................................................. 186
注释 .................................................................. 186
关键字 ................................................................ 186
程序框架 .............................................................. 187
Verilog高级知识点 ........................................................... 190
阻塞赋值(Blocking)................................................... 190
非阻塞赋值(Non-Blocking)............................................. 191
assign和always区别 .................................................... 193
带时钟和不带时钟的always............................................... 193
什么是latch ........................................................... 194
状态机 ................................................................ 195
模块化设计 ............................................................ 199
Verilog编程规范 ............................................................. 203
编程规范重要性 ........................................................ 203
工程组织形式 .......................................................... 204
文件头声明 ............................................................ 204
输入输出定义 .......................................................... 205
parameter定义 ......................................................... 205
wire/reg定义 .......................................................... 205
信号命名 .............................................................. 206
always块描述方式 ...................................................... 206
assign块描述方式 ...................................................... 207
空格和TAB ............................................................ 207
注释 ................................................................. 207
模块例化 ............................................................. 208
其他注意事项 ......................................................... 208
第四篇 实战篇 .................................................................. 210
LED灯闪烁实验 ........................................................... 211
LED灯简介 ................................................................... 212
实验任务 .................................................................... 212
硬件设计 .................................................................... 212
程序设计 .................................................................... 213
验证 .................................................................... 216
按键控制LED闪烁实验 ..................................................... 219
按键简介 .................................................................... 220
实验任务 .................................................................... 220
硬件设计 .................................................................... 220
程序设计 .................................................................... 221
验证 .................................................................... 223
按键控制蜂鸣器实验 ...................................................... 224
蜂鸣器简介 .................................................................. 225
实验任务 .................................................................... 225
硬件设计 .................................................................... 225
程序设计 .................................................................... 226
验证 .................................................................... 230
触摸按键控制LED灯实验 ................................................... 231
触摸按键简介 ................................................................ 232
实验任务 .................................................................... 232
硬件设计 .................................................................... 232
程序设计 .................................................................... 233
验证 .................................................................... 236
呼吸灯实验 .............................................................. 238
呼吸灯简介 ................................................................. 239
实验任务 ................................................................... 239
硬件设计 ................................................................... 239
程序设计 ................................................................... 240
验证 ................................................................... 242
IP核之MMCM/PLL实验 ...................................................... 243
MMCM/PLL IP核简介 .......................................................... 244
实验任务 ................................................................... 247
硬件设计 ................................................................... 247
程序设计 ................................................................... 248
验证 ................................................................... 255
IP核之RAM实验 ........................................................... 257
RAM IP核简介 ............................................................... 258
实验任务 ................................................................... 259
硬件设计 ................................................................... 259
程序设计 ................................................................... 259
验证 ................................................................... 267
IP核之FIFO实验 .......................................................... 269
FIFO IP核简介 .............................................................. 270
实验任务 ................................................................... 271
硬件设计 ................................................................... 271
程序设计 ................................................................... 271
验证 ................................................................... 284
UART串口通信实验 ........................................................ 286
UART串口简介 ............................................................... 287
实验任务 ................................................................... 288
硬件设计 ................................................................... 288
程序设计 ................................................................... 289
验证 ................................................................... 301
RS485串口通信实验 ....................................................... 304
RS-485简介 ................................................................. 305
实验任务 ................................................................... 305
硬件设计 ................................................................... 306
程序设计 ................................................................... 307
验证 ................................................................... 313
RGB TFT-LCD彩条显示实验.................................................. 315
RGB TFT-LCD简介 ............................................................ 316
实验任务 ................................................................... 322
硬件设计 ................................................................... 322
程序设计 ................................................................... 325
验证 ................................................................... 335
RGB TFT-LCD字符和图片显示实验............................................ 337
RGB TFT-LCD简介 ............................................................ 338
实验任务 ................................................................... 338
硬件设计 ................................................................... 338
程序设计 ................................................................... 338
验证 ................................................................... 350
HDMI彩条显示实验 ........................................................ 351
简介 ....................................................................... 352
实验任务 ................................................................... 355
硬件设计 ................................................................... 355
程序设计 ................................................................... 357
验证 ................................................................... 374
HDMI方块移动实验 ........................................................ 376
HDMI简介 ................................................................... 377
实验任务 ................................................................... 377
硬件设计 ................................................................... 377
程序设计 ................................................................... 377
验证 ................................................................... 381
EEPROM读写测试实验 ...................................................... 383
EEPROM简介 ................................................................. 384
实验任务 ................................................................... 389
硬件设计 ................................................................... 389
程序设计 ................................................................... 391
验证 ................................................................... 402
RTC实时时钟LCD显示实验............................................... 403
PCF8563简介 ................................................................ 404
实验任务 ................................................................... 406
硬件设计 ................................................................... 407
程序设计 ................................................................... 408
验证 ................................................................... 424
频率计实验 .......................................................... 425
等精度频率计简介 ........................................................... 426
实验任务 ................................................................... 427
硬件设计 ................................................................... 427
程序设计 ................................................................... 428
验证 ................................................................... 439
高速AD/DA实验 ....................................................... 441
高速AD/DA简介 .............................................................. 442
实验任务 ................................................................... 445
硬件设计 ................................................................... 445
程序设计 ................................................................... 448
验证 ................................................................... 456
MDIO接口读写测试实验................................................. 459
简介 ....................................................................... 460
实验任务 ................................................................... 466
硬件设计 ................................................................... 466
程序设计 ................................................................... 468
验证 ................................................................... 478
以太网ARP测试实验 ................................................... 481
简介 ....................................................................... 482
实验任务 ................................................................... 494
硬件设计 ................................................................... 494
程序设计 ................................................................... 496
验证 ................................................................... 518
以太网UDP测试实验 ................................................... 525
简介 ....................................................................... 526
实验任务 ................................................................... 530
硬件设计 ................................................................... 530
程序设计 ................................................................... 530
关于FPGA
FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式进行其他行业产品的设计。 与 ASIC 不同，FPGA在通信行业的应用比较广泛。通过对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析，结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品可以发现相关技术在未来的发展方向，对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用。
与传统模式的芯片设计进行对比，FPGA 芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片，而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计。从芯片器件的角度讲，FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上，关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计，通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能，据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。
领航者ZYNQ之FPGA开发指南截图
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