（eda）基于fpga的ps2键盘鼠标控制电子琴说明书.doc

1 江西制造职业技术学院信息工程系 08级毕业论文姓名: 江太平班级: 08 通信电子设计题目: 基于 FPGA 的 PS/2 键盘鼠标控制电子琴指导教师: 吴康二〇一一年五月 2 目录第一章 FPGA 简介 FPGA 背景 FPGA 芯片结构 FPGA 的基本特点第二章 FPGA 工作原理 查找表( Look-Up-Table) 的原理与结构 FPGA 工作原理第三章 PS2 键盘通信 PS2 背景 PS2 键盘通信 VGA 原理第四章 PS2 键盘控制模型电子琴顶层电路的设计 PS2 键盘控制电子琴程序结论、参考文献 3 第一章 FPGA 简介 FPGA 背景 FPGA 主要生产厂商 1、 Altera 2、 Xilinx 3、 Actel 4、 Lattice 其中 Altera 作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家, 是当前世界范围内市场占有率最大的厂家, 它和 Xilinx 主要生产一般用途 FPGA , 其主要产品采用 RAM 工艺。 Actel 主要提供非易失性 FPGA ,产品主要基于反熔丝工艺和 FLASH 工艺。目前以硬件描述语言( Verilog 或 VHDL ) 所完成的电路设计, 可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如 AND 、 OR、 XOR 、 NOT ) 或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的 FPGA 里面, 这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器( Flip - flop )或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把 FPG A 内部的逻辑块连接起来, 就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品 FPG A 的逻辑块和连接可以按照设计者而改变, 所以 FPGA 可以完成所需要的逻辑功能。 FPGA 一般来说比 ASIC ( 专用集成芯片) 的速度要慢, 无法完成复杂的设计, 而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品, 可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的 FPGA 。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的 FPGA 上完成的,然后将设计转移到一个类似于 ASIC 的芯片上。另外一种方法是用 CPLD (复杂可编程逻辑器件备)。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA ( Logic Cell Array )这样一个概念, 内部包括可配置逻辑模块 CLB ( Configurable Logic Block )、输出输入模块 IOB ( Input Output Block )和内部连线( Interconnect )三个部分。 FPGA 芯片结构 4 目前主流的 FPGA 仍是基于查找表技术的, 已经远远超出了先前版本的基本性能, 并且整合了常用功能(如 RAM 、时钟管理和 DSP ) 的硬核( ASI C 型)模块。如图 1-1 所示(注:图 1-1 只是一个示意图,实际上每一个系列的 FPGA 都有其相应的内部结构), FPGA 芯片主要由 6 部分完成,分别为:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式 RAM 、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。图 1-1 FPGA 芯片的内部结构 FPGA 芯片的内部结构每个模块的功能如下: 1. 可编程输入输出单元( IOB ) 可编程输入/ 输出单元简称 I/O 单元,是芯片与外界电路的接口部分, 完成不同电气特性下对输入/ 输出信号的驱动与匹配要求, 其示意结构如图 1-2 所示。 FPGA 内的 I/O 按组分类, 每组都能够独立地支持不同的 I/O 标准。通过软件的灵活配置,可适配不同的电气标准与 I/O 物理特性,可以调整驱动电流的大小, 可以改变上、下拉电阻。目前, I/O 口的频率也越来越高, 一些高端的 FPGA 通过 DDR 寄存器技术可以支持高达 2Gbps 的数据速率。图 1-2 典型的 IOB 内部结构示意图典型的 IOB 内部结构示意图外部输入信号可以通过 IOB 模块的存储单元输入到 FPGA 的内部, 也可以直接输入 FPGA 内部。当外部输入信号经过 IOB 模块的存储单元输入到 FPG A 内部时,其保持时间( Hold Time )的要求可以降低,通常默认为 0。为了便于管理和适应多种电器标准, FPGA 的 IOB 被划分为若干个组( bank ), 每个 bank 的接口标准由其接口电压 VCCO 决定, 一个 bank 只