FPGA/EDA实验室建设方案

1 FPGA实验室建设背景

1.1 实验室建设必要性

根据教育部高等教育司《关于开展实验教学和教学实验室建设研究工作的通知》要求，应充分发挥实验室提升学生科学精神、实践能力和创新意识的重要阵地作用，深入开展高校实验教学和教学实验室建设研究，发挥数字赋能作用，推动实验教学改革，为建设适应新时代人才培养需求的新型实验教学体系提供有力支撑。建立嵌入式FPGA实验教学系统，利于改变传统教学“重教有余，重学不足”的模式，有助高校创新型人才培养，并达到教学大纲所要求的教学目的。

FPGA具有强大的并行计算能力、高能耗比以及灵活的编程等优势，FPGA的无限可编程性使其无可争议地成为电路设计*实践平台，尤其在电子产业智能化不断深入、人工智能逐渐成为很多应用端产品设计的技术路线的大背景下，FPGA这种灵活而强大的产品在未来将拥有更广阔的市场空间。未来，物联网和人工智能等新兴领域会推动FPGA产业和技术的发展。

因此，不论从教学还是学生的实际需求等方面来说都很有必要建立FPGA实验室。FPGA已经普遍应用于汽车电子、军事领域、测试与测量、医疗机械、消费产品等行业。高校建设FPGA实验室，将有助于推动当今形式下教学的改革，有助于提高学生的专业技能与专业素养，培养出符合地方经济和社会发展的应用型和实用型人才；此外，实验平台的建设，也为教师提供了教学平台和科研平台，推动教学和科研工作的开展。

1.2 FPGA技术概述

可编程的“*芯片” FPGA——现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array），是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。

FPGA可以实现怎样的能力，主要取决于它所提供的门电路的规模。如果门电路的规模足够大，FPGA通过编程可以实现任意芯片的逻辑功能，例如ASIC、DSP甚至PC处理器等。这就是FPGA为什么被称之为“*芯片”的原因。

FPGA的核心优点：可编程灵活性高、开发周期短、并行计算可编程灵活性高。与ASIC的全定制电路不同，FPGA属于半定制电路。理论上，如果FPGA提供的门电路规模足够大，通过编程可以实现任意ASIC和DSP的逻辑功能。另外，编程可以反复，不像ASIC设计后固化不能修改。所以，FPGA的灵活性也较高。FPGA无需布线、掩模和定制流片等，芯片开发流程简化。FPGA属于并行计算，一次可执行多个指令的算法，执行效率大幅提高。

1.3 FPGA教学需求

FPGA是一门概念抽象、实践性极强的专业课程，如何增强学生的动手能力成为FPGA课程迫切需要解决的问题。这就需要通过学校建立FPGA实验室，将FPGA开发平台应用于实践教学中，通过理论指导实践可以对学生基础知识的掌握、综合素质的提高和应用创新能力培养起到较为重要的作用。

目前，许多院校先后建立了不同规模的实验室，目前大部分FPGA实验室都存在以下问题：

1、 学校实验室现有的软硬件环境无法覆盖全面，无法实现准确高效实现项目开发。

2、 目前大部分的指导教学都缺乏零基础入门的指导。

3、 基础的教学案例无法满足高校教学的需求，理论与实践相脱节。

针对以上问题，上海计呈为高校提供了丰富的教学实验，让高校能够轻松教学。

产品设计及使用上具有以下特点：

1、 上海计呈的嵌入式实验箱在硬件上引出 CPU 全部资源信号引脚，二次开发极其容易，用户只需要专注上层运用，降低了开发难度和时间成本。

2、 上海计呈的嵌入式实验箱配备了开发过程中所需的所有配件和完整的平台开发包，节省软件整理时间，同时提供软件安装教程，上手容易。

3、 提供的入门教程实验指导手册包括实验目的、原理、步骤及源码解析等，注重实验的过程，内容详实且丰富，可以帮助学生打好专业基础，快速入门上手，也有利于教师教学计划的开展。

4、 除了提供丰富的 Demo 程序，还提供全面的技术支持，协助进行底板设计、调试以及软件开发。

2 建设目标

2.1 适用课程

Cyclone IV FPGA嵌入式实验箱主要用于《EDA技术》、《数字电路设计》等课程。

2.2 适用专业

Cyclone IV FPGA嵌入式实验箱主要面向电子信息工程专业方向，同时也可适用于通信工程、电子科学与技术、光电信息工程、自动化等专业教学。Cyclone IV系列的FPGA可以满足无线、有线、广播、工业、消费和通信等领域的应用需求。

2.3 预期目标

FPGA嵌入式实验室建设拟达成的预期教学培养目标如下：

Ø 学生了解FPGA的基本逻辑结构和电路设计；

Ø 学生掌握Verilog HDL语言的语法基础与基本应用；

Ø 学生掌握FPGA的Quartus Prime软件开发方法；

Ø 学生掌握FPGA的设计与开发流程。

3 上海计呈优势

上海计呈科技专注于ARM、FPGA、DSP多核异构技术开发，是TI、Xilinx中国官方合作伙伴，产品线覆盖TI、Xilinx、NXP、全志、瑞芯微、紫光同创等厂商处理器平台，产品广泛应用于工业自动化、仪器仪表、能源电力、通信、医疗、安防等行业。

上海计呈科技始终致力于打造高品质工业核心板，以“提供高可靠性产品”、“快速响应需求”、“有效解决问题”为三大服务宗旨，已成功帮助超过12000家工业客户完成产品的快速开发与上市。

上海计呈教仪作为嵌入式教学平台提供商，始终致力于DSP、ARM、FPGA实验室快速建设。

上海计呈教仪教学平台以“易用性”著称，已为全国高等院校成功建设超过300个实验室，同时与多家院校共同创建TI、Xilinx联合实验室，总部设立在广州科学城，并在北京、上海、深圳、西安等地设有业务及技术服务中心。

4 Cyclone IV FPGA教学平台

4.1 产品特点

TLEP4CE6-PlusTEB是上海计呈一款基于Intel Cyclone IV FPGA处理器的新型嵌入式教学实验箱，提供了丰富的教学实验，适合高校以及研究所等实验机构。

Cyclone IV FPGA 家族展示了英特尔在提供高能效FPGA方面的领先优势。使用增强型架构和芯片、高级半导体工艺技术和功耗管理工具。

TLEP4CE6-PlusTEB的产品特点如下：

Ø 基于Intel Cyclone IV FPGA 处理器，逻辑单元 6K个；

Ø 嵌入式新型实验箱，使用灵活，性价比高。由实验开发底板、下载器、模块及相关实验配件组成；

Ø 实验板支持HDMI、摄像头、RTC、看门狗、UART、Micro SD等接口；

Ø 实验板上支持安装可拆卸亚克力保护板，保护实验电路；

Ø 提供面向教学的丰富实验资源；

Ø 适用于通信、测控、电子等教学领域。

5 实验内容及要求

GC- FPGA教学实验箱

一、 特点

基于Intel Cyclone IV FPGA处理器的新型嵌入式教学实验箱，提供了丰富的教学实验，适合高校实验使用。

嵌入式FPGA实验箱提供的实验指导手册包括实验目的、原理、步骤及源码解析等，注重实验的过程，内容详实且丰富，可以帮助学生打好专业基础，也有利于教师教学计划的开展；此外，实验箱提供的工程资源开发例程可以用于师生项目开发，降低开发难度和时间成本。相对传统的实验箱，使用更加灵活，用途更广，性价比更高。

1、实验箱含实验开发底板、下载器、模块及相关实验配件。

2、基于Intel Cyclone IV FPGA 处理器，逻辑单元 6K个；

3、实验板支持HDMI、摄像头、RTC、看门狗、UART、Micro SD等接口；

4、实验板上支持安装可拆卸亚克力保护板，保护实验电路

二、 硬件参数

1、CPU：Intel EP4CE6F17C8N

2、逻辑单元：6K

3、M9K：30（270 Kbits）

4、18 x 18 Multiplier：15

5、PLL：2

6、GPIO：173

7、OSC ：50MHz

8、ROM：16Mbit SPI NOR FLASH、8bit、133MHz；64Kbit EEPROM

9、RAM：256Mbit SDRAM，16bit、166MHz

10、LED ：1x 电源指示灯

11、KEY ：1x CPU RESET 按键；3x 用户按键

12、VIDEO OUT：1x HDMI，支持 1080P@30fps；1x TFT LCD 电阻触摸屏接口，RGB565，支持 1024*600@30fps，40pin FFC 连接器，间距0.5mm；CAMERA：1x DVP接口，20pin FFC 连接器，间距 0.5mm，支持500万像素摄像头，1080P@30fps、720P@60fps

13、Micro SD：1x Micro SD接口，SDIO总线

14、UART：1x Debug UART，Type-C 接口

15、Watchdog：1x 滑动开关，采用外置芯片方案

16、RTC：1x RTC 座

17、JTAG：1x JTAG，2x 5 pin，2.54mm，简易牛角座，黑色，实验板背面贴片

18、CONNECTPORT：共5个拓展接口，其中2x 拓展口，2x 10pin 简易牛角座，间距 2.0mm，引出8根IO；1x 电机口，2x 10pin 简易牛角座，间距 2.0mm，引出5根IO；1x 拓展口，3x 16pin 欧式端子公座，间距 2.54mm，引出28根IO；1x 拓展口，3x 16pin 欧式端子公座，间距 2.54mm，引出16根IO

19、SWITCH：1x 电源拨动开关

20、POWER：1x 12V@6A 直流输入 DC-005 电源接口，可接外径 5.5mm、内径 2.1mm 电源插头

21、拓展模块：配套6个拓展模块，包括按键模块、流水灯模块、交通灯模块、数码管模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块

三、 下载器参数

1、支持Win7、win8、win10、win11

2、直接使用Quartus软件原生自带驱动

3、开发软件兼容Quartus ll 13.0以上版本

4、功能支持：sof程序下载，jic烧录，AS模式烧录POF，Signaltap ll在线调试，In-System-Sources-and-Probes在线调试，In-Sytem-memory-Content-Editor在线调试，NIOS II程序下载，NIOS II程序在线调试，JTAG-UART串口功能

5、电平兼容性：采用高速电平转换芯片，兼具电平转换和信号缓冲功能兼容1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等电压范围在1.5~3.3V范围内的器件

6、性能优异性 ：TCK速率高达24Mhz

7、支持Altera/Intel CPLD、FPGA、SOC FPGA

四、 软件支持

1、Quartus Prime 标准版，Version 23.1。

五、 配套资料：

1、提供教学资源，包括：

（1）电子版实验指导书，41个教学实验；

（2）完整的实验代码。

（3）提供芯片数据手册、底板原理图。

七、 教学资源实验列表

第1章  FPGA实验环境搭建与Vivado开发基础

实验1 FPGA实验环境搭建

实验2 实验开发工具介绍

实验3 Quartus 开发基础

实验4 程序固化

第2章  触发器设计实验

实验5 同步RS触发器的设计实验

实验6 同步T触发器的设计实验

实验7 同步D触发器的设计实验

实验8 同步JK触发器的设计实验

第3章  组合逻辑实验

实验9 多数表决器实验（源码）

实验10 多数表决器实验（IP核）

实验11 四位二进制加法器实验

实验12 一位 8421 BCD 码加法器实验

第4章  时序逻辑实验

实验13 时钟同步状态机的设计实验

实验14 同步计数器74x163的实现实验

实验15 移位寄存器的实现和应用实验

第5章  FPGA基础外设实验

实验16 SDRAM 读写实验

实验17 SPI FLASH 读写实验

实验18 I2C EEPROM 读写实验

实验19 LCD 显示与触控实验

实验20 OV5640 摄像头采集 HDMI 显示实验

实验21 OV5640 摄像头采集 LCD 显示实验

实验22 UART 回环实验

实验23 Micro SD 卡读写实验

实验24 按键 LED 灯控制实验

实验25 LED 流水灯实验

实验26 呼吸灯实验

实验27 数码管显示实验

实验28 矩阵键盘实验

实验29 十字交通灯实验

第6章  综合实验

实验30 电子秒表综合设计实验

实验31 数字电子钟控制设计实验

实验32 八路数字抢答器设计实验

实验33 双向流水灯控制设计实验

实验34 篮球比赛 24 秒倒计时设计实验

实验35 电子幸运转盘设计实验

实验36 简易洗衣机定时正反转控制设计实验

实验37 病房呼叫系统设计实验

实验38 电梯控制系统设计实验

实验39 汽车方向之星设计实验

实验40 基于 Sobel 算法的边缘检测实验