濟南FPGA應用設計初級培訓班

第一天

學習目標第一天的課程將幫助學員了解FPGA系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)知識，使學員對FPGA的典型應用及解決方案，典型型號及結(jié)構(gòu)特點有一個深入的認識。學員將掌握FPGA系統(tǒng)設計的方法、流程及手段，學會操作FPGA開發(fā)軟件來完成簡單的FPGA設計和開發(fā)。

1. FPGA典型應用及解決方案

本節(jié)將介紹FPGA在不同領(lǐng)域應用的優(yōu)勢，幫助學員了解FPGA的應用場合及常見的解決方案。 本節(jié)要點：

1.1 嵌入式應用，DSP應用，高速互聯(lián)應用，ASIC驗證應用，外設接口互聯(lián)應用

1.2 FPGA典型應用案例分享

2. FPGA典型器件型號及結(jié)構(gòu)

本節(jié)將介紹主流FPGA廠商的傳統(tǒng)、主流及新型號的器件特點，幫助學員掌握幾種常見的FPGA器件的結(jié)構(gòu)，了解新的FPGA器件型號特點，掌握FPGA器件選型的原則和方法。

本節(jié)要點：

2.1 Altera：CPLD，CycloneI/II，Arria，Stratix

2.2 Xilinx：CPLD，Spartan3/6，Virtex5/6

2.3 FPGA兼容設計案例分析

3. FPGA設計流程及開發(fā)方法

本節(jié)圍繞FPGA的設計流程，介紹主流FPGA廠商的開發(fā)工具鏈，重點講授關(guān)鍵設計環(huán)節(jié)的工具特點，使學員掌握FPGA設計流程的各個環(huán)節(jié)及對應的開發(fā)方法。

本節(jié)要點：

3.1 FPGA PCB設計要點

3.2 Altera：Quartus II，EDS，DSP Builder，SignalTap

3.3 Xilinx：ISE，XPS/EDK，System Generator，AccelDSP，ChipScope

3.4 Synplify，Modelsim，Matlab，Simulink

1. FPGA實驗平臺介紹

本節(jié)簡要介紹課程使用的實驗開發(fā)平臺：紅色颶風系列開發(fā)板，對其資源配置、設計理念、使用方法等進行介紹，使學員具備在此實驗平臺開展FPGA設計開發(fā)的基礎(chǔ)。

本節(jié)要點：

1.1 PCB設計，電源設計，F(xiàn)PGA配置鏈路，接口設計，使用方法

2. 解剖一個典型的FPGA工程

本節(jié)以一個典型的FPGA工程為基礎(chǔ)，手把手為學員講授FPGA工程中的關(guān)鍵要素，要素的設計方法及作用。幫助學員迅速掌握FPGA開發(fā)的主要環(huán)節(jié)。

本節(jié)要點：

2.1 設計輸入文件，約束文件，仿真激勵文件，波形文件，下載文件，調(diào)試文件，設計報告

3. 實戰(zhàn)訓練

本節(jié)由學員動手，在FPGA實驗平臺上完成一個FPGA工程設計。學員根據(jù)實驗手冊一步一步的完成一個功能直觀步驟完整的FPGA設計，總結(jié)在FPGA設計過程中常見的錯誤和問題。

本節(jié)要點：

3.1 工程創(chuàng)建及屬性設置，源文件設計輸入方式，約束設計，工程編譯，功能仿真，時序仿真，硬件下載，硬件調(diào)試

第二天

學習目標第二天的課程以設計輸入、仿真激勵設計及測試調(diào)試為主要內(nèi)容，學員可以掌握FPGA開發(fā)的基本設計輸入方法：原理圖輸入及Verilog硬件描述語言輸入，配合豐富的實例使學員了解FPGA資源的語言描述方法及數(shù)字系統(tǒng)的測試驗證方法，同時通過對設計原則和設計技巧部分的課程可以幫助學員提高系統(tǒng)設計的能力，為SOPC的系統(tǒng)設計打下良好的基礎(chǔ)。

1. FPGA設計輸入方法

本節(jié)針對FPGA開發(fā)過程中的主要工作——設計輸入——進行詳細分析，幫助學員掌握常見設計輸入方法，仿真激勵文件設計方法，理解硬件描述語言的可綜合設計風格。

本節(jié)要點：

1.1 原理圖設計方法，Verilog語言基本結(jié)構(gòu)，可綜合設計，仿真激勵設計

1.2 常用設計輸入方法實例分析

2. FPGA常用資源結(jié)構(gòu)特點及調(diào)用方法

本節(jié)將學習FPGA器件的工藝結(jié)構(gòu)，詳細介紹FPGA的各種邏輯資源特點及調(diào)用方法，幫助學員深刻理解FPGA的各種內(nèi)部資源，為系統(tǒng)的進行FPGA開發(fā)打下基礎(chǔ)。

本節(jié)要點：

2.1 PLL/DCM等時鐘資源，Select IO資源，RAM資源，乘法器資源，SERDES資源

2.2 FPGA常用資源調(diào)用方法實例分析

3. 有限狀態(tài)機設計

本節(jié)講授數(shù)字系統(tǒng)設計中常見的結(jié)構(gòu)設計方法——有限狀態(tài)機，通過學習學員將掌握狀態(tài)機設計中的狀態(tài)劃分原則及硬件描述語言實現(xiàn)方法。

本節(jié)要點：

3.1 狀態(tài)機編碼，三段式狀態(tài)機設計

3.2 狀態(tài)機實例分析

1. FPGA設計原則及常用設計技巧

本節(jié)介紹FPGA設計中應遵循的設計原則和常用設計技巧，通過學習學員可從更高的層次上理解數(shù)字系統(tǒng)的設計方法。

本節(jié)要點：

1.1 設計原則：模塊化設計，基于IP設計，時鐘復位系統(tǒng)設計

1.2 設計技巧：面積與速度互換、兵乓操作、流水線

1.3 流水線設計實例分析

2. 設計輸入與驗證實戰(zhàn)訓練

本節(jié)讓學員動手去完成既定的實驗任務，在實踐中掌握硬件描述語言的編寫方法及系統(tǒng)設計的模塊化設計方法。

本節(jié)要點：

2.1 用Verilog語言實現(xiàn)特定功能組合邏輯電路

2.2 用Verilog語言實現(xiàn)特定功能時序邏輯電路

2.3 頂層文件設計方法及模塊調(diào)用方法

2.4 測試激勵的編寫方法及仿真

3. 實時硬件調(diào)試實戰(zhàn)訓練

本節(jié)通過實驗演示及學員動手相結(jié)合，是學員掌握FPGA實時調(diào)試工具——虛擬邏輯分析儀——的使用方法，提高FPGA調(diào)試測試的技能。

本節(jié)要點：

3.1 虛擬邏輯分析儀的原理及特點

3.2 使用虛擬邏輯分析儀進行調(diào)試的設計流程

3.3 Altera實戰(zhàn)：使用SignalTap進行實時硬件調(diào)試

3.4 Xilinx實戰(zhàn)：使用ChipScope進行實時硬件調(diào)試

第三天

學習目標第三天的課程以SOPC系統(tǒng)概念為切入點，重點介紹FPGA EDS解決方案的體系結(jié)構(gòu)及硬件設計流程。圍繞軟核處理器、Avalon總線及外圍組件三個方面對SOPC的硬件結(jié)構(gòu)進行介紹。通過簡單實用的SOPC工程使學員掌握EDS/XPS工具的基本使用方法及硬件設計流程。

1. SOPC系統(tǒng)基礎(chǔ)及典型解決方案

本節(jié)講授SOPC系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識及SOPC的構(gòu)成要素，介紹當前典型的幾種SOPC解決方案及優(yōu)缺點，使學員對SOPC有一個基本的認識。

本節(jié)要點：

1.1 SOPC構(gòu)成要素，典型軟核SOPC解決方案，典型硬核SOPC解決方案，SOPC系統(tǒng)優(yōu)缺點

2. Altera NIOS II解決方案

本節(jié)基于Altera NIOS II軟核處理器，通過一個典型的工業(yè)數(shù)據(jù)采集SOPC系統(tǒng)工程，詳細介紹NIOS II SOPC解決方案的構(gòu)成要素。通過學習，學員將從整體上理解NIOS II SOPC解決方案的架構(gòu)和重要的構(gòu)成要素，學會使用原理圖和硬件描述語言的方式調(diào)用SOPC工程模塊。

本節(jié)要點：

2.1 一個典型的工業(yè)采集系統(tǒng)SOPC工程

2.2 NIOS II解決方案架構(gòu)，開發(fā)工具鏈

2.3 NIOS II 軟核處理器，Avalon總線，典型外設組件

2.4 NIOS II硬件抽象層HAL及系統(tǒng)庫

2.5 定制指令及定制組件

2.6 SOPC的時鐘與復位系統(tǒng)

2.7 NIOS II軟核系統(tǒng)的調(diào)用方法

1. NIOS II解決方案的系統(tǒng)設計流程

本節(jié)為學員講述NIOS II解決方案的系統(tǒng)設計流程，通過學習學員可以從流程上清晰地理解SOPC設計的各個主要環(huán)節(jié)。

本節(jié)要點

： 1.1 NIOS II解決方案的系統(tǒng)設計流程

1.2 NIOS II解決方案的硬件設計流程

1.3 NIOS II解決方案的軟件設計流程

1.4 NIOS II解決方案的軟硬件下載流程

2. SOPC Builder開發(fā)環(huán)境及使用方法

本節(jié)基于實驗平臺的一個SOPC小系統(tǒng)工程，介紹SOPC Builder工具環(huán)境的使用方法。學員可學會使用該工具建立SOPC系統(tǒng)，掌握該工具提供的主要功能。

本節(jié)要點：

2.1 實驗平臺上的一個SOPC小系統(tǒng)工程

2.2 NIOS II處理器的調(diào)用與配置

2.3 Avalon總線互聯(lián)方法

2.4 常用外設組件及調(diào)用及其配置

2.5 定制外設組件的實現(xiàn)方法

2.6 SOPC系統(tǒng)的地址及中斷

2.7 SOPC系統(tǒng)軟件設計初步

3. SOPC Builder實戰(zhàn)訓練

本節(jié)由學員動手設計并實現(xiàn)一個簡單的處理器控制系統(tǒng)，在實踐中加深對SOPC硬件設計流程及常見組件的使用方法，熟練SOPC Builder工具的操作。

本節(jié)要點：

3.1 在FPGA開發(fā)板上組建一個簡單的處理器控制系統(tǒng)

3.2 SOPC Builder工具操作方法

第四天

學習目標第四天的課程以軟件開發(fā)及調(diào)試為主。通過第四天的學習，學員應掌握NIOS II SOPC系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程及相關(guān)工具，能夠針對不同的系統(tǒng)需求進行系統(tǒng)配置，并選擇或設計相應的API接口進行軟件開發(fā)。配合前三天講授的內(nèi)容，掌握SOPC系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計設計。

1. NIOS II解決方案的軟件架構(gòu)

本節(jié)主要講授NIOS II解決方案的軟件架構(gòu)，主要圍繞硬件抽象層，API和用戶應用程序三個方面進行介紹，使學員深入了解NIOS II解決方案的軟件設計要素。

本節(jié)要點：

1.1 軟件架構(gòu)，軟件開發(fā)工具鏈

1.2 HAL硬件抽象層

1.3 HAL API接口

1.4 用戶應用程序

1.5 標準系統(tǒng)庫，嵌入式操作系統(tǒng)

2. NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境及使用方法

本節(jié)為學員介紹NIOS II IDE軟件及其工具鏈的使用方法，按照SOPC軟件設計流程對重要的設計步驟進行講解，使學員學會使用NIOS II IDE工具，了解SOPC軟件設計及調(diào)試方法。

本節(jié)要點：

2.1 系統(tǒng)工程向?qū)Ъ澳０?/p>

2.2 系統(tǒng)庫及用戶工程的管理與配置

2.3 SOPC軟件設計方法

2.4 SOPC軟硬件協(xié)同調(diào)試方法

2.5 SOPC軟件的固化方法

3.**OS II IDE實戰(zhàn)訓練

本節(jié)由學員動手在前一天設計的簡單的處理器控制系統(tǒng)上添加軟件功能，理解SOPC系統(tǒng)中軟件實現(xiàn)方法和硬件實現(xiàn)方法的區(qū)別，掌握SOPC軟件設計及調(diào)試方法，熟練NIOS II IDE工具的操作。

本節(jié)要點：

3.1 在組建的簡單處理器控制系統(tǒng)上添加軟件工程

3.2 NIOS II IDE工具操作方法

1. SOPC軟件工程實例分析

本節(jié)基于典型的工業(yè)數(shù)據(jù)采集SOPC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，為學員介紹常見的SOPC外圍組件的軟件控制方法，介紹自定義外圍組件的HAL設計及API封裝方法，使學員具備開發(fā)SOPC外圍接口的能力。

本節(jié)要點：

1.1 常見外圍組件的軟件控制方法

1.2 用戶自定義組件的HAL設計及API封裝方法

2. SOPC系統(tǒng)綜合訓練

本節(jié)提出一個SOPC系統(tǒng)需求，要求學員設計一個圖像顯示系統(tǒng)的SOPC結(jié)構(gòu)，并在實驗平臺上實現(xiàn)。通過這個綜合訓練，使學員融會貫通的使用SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、FPGA硬件設計、SOPC軟硬件協(xié)同設計等方法。具備從需求到實現(xiàn)的設計開發(fā)能力。

本節(jié)要點：

2.1 SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

2.2 FPGA硬件設計

2.3 SOPC軟硬件協(xié)同設計

2.4 SOPC工具鏈使用

3. 課程總結(jié)與展望

本節(jié)將回顧四天SOPC課程的主要內(nèi)容，幫助學員總結(jié)課程的要點和課程培訓中常見的問題，同時為學員介紹進一步學習SOPC系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容和資源。