基于FPGA的GPIB控制器的IP核设计

论文摘要

当前,片上系统（SOC）已成为系统实现的主流技术。流片风险与费用增加、上市时间压力加大、产品功能愈加复杂等因素使得SOC产业逐渐划分为IP提供者、SOC设计服务者和芯片集成者三个层次。SOC设计已走向基于IP集成的平台设计阶段,经过严格验证质量可靠的IP核成为SOC产业中的重要一环。GPIB控制器芯片是组建自动测试系统的核心,在测试领域应用广泛。本人通过查阅大量的技术资料,分析了集成电路在国内外发展的最新动态,提出了基于FPGA的自主知识产权的GPIB控制器IP核的设计和实现。本文首先讨论了基于FPGA的GPIB控制器的背景意义,接着对FPGA开发所具备的基本知识作了简要介绍。文中对GPIB总线进行了简单的描述,根据芯片设计的主要思想,重点在于论述怎样用FPGA来实现IEEE-488.2协议,并详细阐述了GPIB控制器的十种接口功能及其状态机的IP核实现。同时,对数据通路也进行了较为细致的说明。在设计的时候采用基于模块化设计思想,用VerilogHDL语言完成各模块功能描述,通过Synplify软件的综合,用Modelsim对设计进行了前、后仿真。最后利用生成的模块符号采取类似画电路图的方法完成整个系统芯片的IP软核设计,并用EDA工具下载到了FPGA上。为了更好地验证设计思想,借助EDA工具对GPIB控制器的工作状态进行了软件仿真,给出仿真结果,仿真波形验证了GPIB控制器的工作符合预想。最后,本文对基于FPGA的GPIB控制器的IP核设计过程进行了总结,展望了当前GPIB控制器设计的发展趋势,指出了开展进一步研究需要做的工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国际国内研究状况和进展
• 1.3 设计的总体思路
• 1.4 课题所完成的工作
• 1.5 课题的组织结构
• 第2章 FPGA及IP核设计方法
• 2.1 FPGA开发的基本知识
• 2.1.1 FPGA简介
• 2.1.2 FPGA的基本结构
• 2.1.3 FPGA的设计流程
• 2.2 IP核介绍及设计方法
• 2.2.1 IP核设计方法
• 2.2.2 Quartus Ⅱ简介
• 2.2.3 自顶向下（TOP-DOWN）设计的基本概念
• 2.3 FPGA设计芯片的选择
• 第3章 基于FPGA的GPIB控制器的设计思想
• 3.1 GPIB总线介绍
• 3.2 GPIB接口的基本特征与特点
• 3.3 GPIB接口系统的功能
• 3.4 GPIB的母线结构及信号线
• 3.5 GPIB接口的设计思想
• 3.5.1 GPIB接口芯片的设计方案选择
• 3.5.2 GPIB接口芯片的总体设计
• 第4章 GPIB控制器IP核接口功能的设计与实现
• 4.1 有限状态机简介
• 4.2 GPIB母线通信的接口功能设计
• 4.2.1 听者接口功能（L）
• 4.2.2 讲者接口功能（T）
• 4.2.3 受方挂钩功能（AH）
• 4.2.4 源方挂钩功能（SH）
• 4.2.5 远地\本地接口功能（RL）
• 4.2.6 器件触发功能（DT）
• 4.2.7 器件清除接口（DC）
• 4.2.8 控者接口功能（C）
• 4.2.9 服务请求功能（SR）
• 4.2.10 并行查询接口功能（PP）
• 4.3 主状态机的实现
• 第5章 GPIB控制器IP核数据通道设计与实现
• 5.1 内部寄存器设计
• 5.2 主要寄存器的实现
• 5.2.1 数据输入寄存器（DIR）
• 5.2.2 数据输出寄存器（DOR）
• 5.3 I/O通道的实现
• 5.4 译码电路设计
• 5.4.1 地址译码器
• 5.4.2 多线消息译码器
• 5.4.3 辅助寄存器译码器
• 5.5 数据通道的实现
• 第6章 GPIB控制器的IP核实现与功能验证
• 6.1 GPIB控制器系统的搭接
• 6.2 后仿真
• 6.2.1 接收器件消息过程的仿真
• 6.2.2 发送器件消息过程的仿真
• 6.3 FPGA资源分配及实现
• 6.4 芯片测试
• 6.4.1 JTAG测试原理
• 6.4.2 外围电路的设计
• 6.4.3 芯片测试
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录1 ACEX1K功能示意图
• 附录2 NAT9914管脚说明