可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器的製作方法
2023-07-12 05:37:31
專利名稱：可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於計算機軟體和硬體系統的教學設備，具體 地說是指一種嵌入式系統教學儀器。
背景技術：
嵌入式系統課程的體系結構大致分為實時嵌入式系統導論、嵌入式 系統設計和嵌入式系統工程培訓三門課程。課程目標是學習嵌入式系統是 如何設計和開發的，其基本內容從一個系統的細節入手，然後了解微處 理器、編輯器、作業系統和調試工具的選擇；接下來，將會研究實際使用 的處理器結構與軟體實現的功能是如何應用到系統的硬體和軟體部分中 去。這些對於還沒有過應用經驗的學生來說是較為困難的，因此，在高校 中開展嵌入式系統教學是非常有必要的。嵌入式系統是一門實踐性很強的 學科，需要相應的開發平臺。由於現有的嵌入式系統所涉及的基本理論比 較複雜，學生很難入手，很難在其基礎上開發出自己的應用程式；再者， 一些嵌入式作業系統和相應的軟體開發環境價格比較昂貴，因此限制了嵌 入式系統的推廣與發展。嵌入式技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領 域涉及工業控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統、POS網絡及 電子商務、環境監測、機器人等。發明內容本實用新型的目的在於提供一種可編程系統級晶片嵌入式系統的教學 儀器，以解決嵌入式系統在教學領域的推廣與應用的技術問題。本實用新型所述的可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器是由核心板 和主板組成；核心板包括含有多種處理器軟核以及配套IP的可編程系統級 晶片及分別與其連接的存儲器、通信及多媒體接口和人機互動設備，所述 存儲器包括一組大容量存儲器，通信及多媒體接口主要包括乙太網控制器 及乙太網接口、 USB控制器及USB接口、音頻控制器及音頻接口、 RS232 串口電路、VGA接口電路，人機互動設備主要包括鍵盤陣列、按鍵、撥擋 開關輸入、8段碼管、大屏幕TFT彩色LCD顯示和VGA控制器，所述可 編程系統級晶片還連接一個多重配置控制器；主板主要包括液晶顯示器、 多通道八位A/D轉換模塊、單通道八位D/A轉換模塊、步進電機、直流電機、標準鍵盤、八位掃描LED數碼管、兩位靜態LED數碼管、十六位按 鍵輸入模塊、十六位撥碼開發輸入模塊、八位LED和多種時鐘選擇輸入； 主板上的上述器件分別通過擴展槽與核心板的可編程系統級晶片的I/O端in連接。如上所述的可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器，核心板的可編程系統級晶片採用Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F672或FPGA EP2C20F484晶片。本實用新型的優點在於-1、 通過該教學儀器與配套的課程能夠使學生了解和掌握從最簡單的 EDA電路設計到組成SOPC系統的基本模塊，如NiosII處理器、調試單元、 存儲器、通信接口等的設計與仿真，再到晶片級、板級的功能仿真與驗證 和作業系統、驅動程序運行的全套方法。學生在完成了完整的課程以後， 可以獨立的進行SoC的前端設計與功能驗證工作。2、 除了提供基於商業的NiosII處理器及配套的uC/OS2、 ixClinux 作業系統的教程以外，還提供基於完全開源的32位處理器OpenRISC1200 及配套的Linux作業系統的教程以及另外一款開源的32位SPARC V8兼容 處理器LEON2/LEON3及配套的RTEMS、 Linux作業系統的教程。由於後 兩套教程使用的處理器、配套IP和作業系統、驅動程序都是完全開源的， 學生可以接觸每一行RTL級代碼和C語言、彙編語言代碼，可以有機會真 正了解32位RISC處理器以及其他片內控制器的工作原理以及作業系統、 驅動程序的實現方法，而不必像面對NIOS2時那樣只能面對功能級仿真。 而且，由於學生掌握了以上兩套系統的RTL級代碼和作業系統、驅動程序 代碼，就可以自由的修改代碼，實現處理器的定製功能。甚至，由於以上 兩套系統都經過了多次ASIC流片驗證，學生可以以此為基礎設計真正的 屬於自己的ASIC SoC。
圖l是本實用新型的教學儀器的主視圖。 圖2是核心板的主要器件和接口的電路框圖。
具體實施方式
本實用新型的核心板的結構參見圖2，核心板可以採用Altera公司 Cyclone II系列FPGAEP2C35F672為核心或FPGAEP2C20F484為核心。核心板上配備了多種類型的存儲器和通信、多媒體接口。開發實驗平臺 提供鍵盤陣列、按鍵、撥擋開關輸入、8段碼管、大屏幕TFT彩色LCD顯 示、VGA等多種人機互動方式，以及RS232串口、 PS/2、 USB 2.0、乙太網等通信接口和SDRAM、 FLASH、 SRAM等大容量存儲器。同時，提供 NIOS2、 OpenRISC1200、 LEON2/LEON3等多種處理器軟核以及配套IP， 可運行uC/OS2、 uCLinux、 Linux等多種作業系統。本實用新型的核心板的主要器件和接口如下EP2C35F672, 200萬門， 35,000個邏輯單元，FBGA封裝，FPGA JTAG接口 1個；EPCS16配置 存儲器，FPGA AS JTAG接口 1個；CPLD多重配置控制器，EPM7256， CPLDJTAG接口 1個；NOR FLASH兩片，AM29LV256,共64MB; NAND FLASH—片，K9F1208U0B， 64MB; SRAM—片，CY7C1380C， 2MB; SDRAM兩片，HY57V561620，共64MB; RS232串口 2個；PS2接口 2 個；10M/100M自適應乙太網PHY， LXT971ALC;乙太網MAC/PHY控制 器，LAN91C111; USB2.0控制器，ISP1161; USB2.0PHY ， CY7C68000; VGA控制器，ADV7123; AC97 Codec, LM4550VH; 2個8段數碼管； 24個LED; 7個按鈕；8位撥碼開關；通用GP JTAG接口 1個。本實用新型的主板主要器件和接口如下8寸640*480 TFT真彩LCD; 128x64圖形點陣液晶顯示器；8通道8位AD轉換模塊；單通道8位DA 轉換模塊；步進電機；直流電機；17標準鍵盤；8位掃描LED數碼管；2 位靜態LED數碼管；16位按鍵輸入模塊；16位撥碼開發輸入模塊；8位LED;多種時鐘選擇輸入。主板上的上述器件分別通過擴展槽與核心板的 可編程系統級晶片的1/0埠連接本實用新型是一種SOPC嵌入式系統教學儀器，由PC機和教學儀器組 成，教學儀器與PC機通過JTAG相連，實現兩者間的數據上傳和下載，將 PC機的程序通過JTAG下載到核心板中，實現教學儀器的應用程式的開發。 教學儀器的串口通過RS232接口同PC機相連，實現教學儀器同PC機之間 的通訊，PC機接收教學儀器輸入的信息，同時，教學儀器接收PC機的信 息，並將信息實時的顯示在PC顯示器上，教學儀器的另一個串口用於擴 展功能。教學儀器的JTAG調試口通過JTAG電纜同PC機的並口相連，實 現軟體程序調試和對由該教學儀器控制的下位機進行調試處理。教學儀器 的網口通過TCP/IP協議同PC機的網口相連，實現PC機與教學儀器的通 信。教學儀器擴展了大量的內外存儲器，64M線性FLASH、 64MSDRAM、 64M非線性FLASH,實現了快速存儲以及處理速度快的功能，因此，能夠 在其基礎上開發出不同的應用程式。在教學中，首先連接相應的接口，然後打開PC機，打開教學儀器電源 開關，PC顯示屏上顯示系統初始化的過程；接著，根據教學內容引導學生 學習嵌入式系統。具體過程為學生在PC機的NiosII IDE開發環境中開 發出應用程式，通過JTAG口將程序下載到教學儀器的系統中，然後再PC 機上應用JTAG調試軟體實時調試程序，並將調試結果通過JTAG調試口 實時的顯示在教學儀器的液晶屏上或PC機的屏幕上，調試通過後就開發 出了一個完整的應用程式。可以根據設計的殼體大小來確定顯示器的大小，可選擇的多種LCD模 式，包括256色彩色LCD (320X240解析度、或640X480解析度)、單色 LCD (320X240解析度)、灰度(320X240解析度)等，總線開關晶片採 用型號為74HC07的晶片，對於背光的逆變器，採用TDK的配套產品，採 用5V電源可以產生1000伏左右的交流信號。本實用新型的PC機要求作業系統WIN98/2000/XP， PC機PentumnlOO 以上。系統安裝軟體採用quartus5.0， Nios115.01 ， Source Insight 3.0， Nios2Linux-1.4，仿真器驅動程序。串口用於同PC機進行通信交換信息。本實用新型的嵌入式系統教學儀器的外部結構參見圖1,它結構簡單， 易操作，能夠有效提高高校學生對SOPC嵌入式系統這門課程的掌握及其 應用，引導學生快速準確地掌握SOPC系統，降低了學習難度。同時，也 可以指導學生在其平臺上開發不同的應用程式並將其應用到不同的領域， 對於普及嵌入式技術提供了操作平臺。
權利要求1、一種可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器，其特徵在於它由核心板和主板組成；核心板包括含有多種處理器軟核以及配套IP的可編程系統級晶片及分別與其連接的存儲器、通信及多媒體接口和人機互動設備，所述存儲器包括一組大容量存儲器，通信及多媒體接口主要包括乙太網控制器及乙太網接口、USB控制器及USB接口、音頻控制器及音頻接口、RS232串口電路、VGA接口電路，人機互動設備主要包括鍵盤陣列、按鍵、撥擋開關輸入、8段碼管、大屏幕TFT彩色LCD顯示和VGA控制器，所述可編程系統級晶片還連接一個多重配置控制器；主板主要包括液晶顯示器、多通道八位A/D轉換模塊、單通道八位D/A轉換模塊、步進電機、直流電機、標準鍵盤、八位掃描LED數碼管、兩位靜態LED數碼管、十六位按鍵輸入模塊、十六位撥碼開發輸入模塊、八位LED和多種時鐘選擇輸入；主板上的上述器件分別通過擴展槽與核心板的可編程系統級晶片的I/O埠連接。
2、如權利要求1所述的一種可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器， 其特徵在於核心板的可編程系統級晶片採用Altera公司Cyclone II系列 FPGAEP2C35F672或FPGA EP2C20F484晶片。
專利摘要本實用新型公開了一種可編程系統級晶片嵌入式系統教學儀器，它由核心板和主板組成；核心板包括含有多種處理器軟核以及配套IP的可編程系統級晶片及分別與其連接的存儲器、通信及多媒體接口和人機互動設備。所述存儲器包括一組大容量存儲器，通信及多媒體接口主要包括乙太網接口、USB接口、音頻接口、RS232串口電路、VGA接口電路，人機互動設備主要包括鍵盤陣列、按鍵、撥擋開關輸入、8段碼管、大屏幕TFT彩色LCD顯示和VGA控制器；主板主要包括液晶顯示器、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、步進電機、直流電機、標準鍵盤等。本實用新型可以解決嵌入式系統在教學領域的推廣與應用的技術問題。
文檔編號G09B25/00GK201100900SQ20072017555
公開日2008年8月13日 申請日期2007年9月17日 優先權日2007年9月17日
發明者陸海軍, 黃倫學 申請人:北京博創興業科技有限公司