CN201100900Y - 可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器，它由核心板和主板组成；核心板包括含有多种处理器软核以及配套IP的可编程系统级芯片及分别与其连接的存储器、通信及多媒体接口和人机交互设备。所述存储器包括一组大容量存储器，通信及多媒体接口主要包括以太网接口、USB接口、音频接口、RS232串口电路、VGA接口电路，人机交互设备主要包括键盘阵列、按键、拨挡开关输入、8段码管、大屏幕TFT彩色LCD显示和VGA控制器；主板主要包括液晶显示器、A/D转换模块、D/A转换模块、步进电机、直流电机、标准键盘等。本实用新型可以解决嵌入式系统在教学领域的推广与应用的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于计算机软件和硬件系统的教学设备，具体地说是指一种嵌入式系统教学仪器。
背景技术
嵌入式系统课程的体系结构大致分为：实时嵌入式系统导论、嵌入式系统设计和嵌入式系统工程培训三门课程。课程目标是学习嵌入式系统是如何设计和开发的，其基本内容：从一个系统的细节入手，然后了解微处理器、编辑器、操作系统和调试工具的选择；接下来，将会研究实际使用的处理器结构与软件实现的功能是如何应用到系统的硬件和软件部分中去。这些对于还没有过应用经验的学生来说是较为困难的，因此，在高校中开展嵌入式系统教学是非常有必要的。嵌入式系统是一门实践性很强的学科，需要相应的开发平台。由于现有的嵌入式系统所涉及的基本理论比较复杂，学生很难入手，很难在其基础上开发出自己的应用程序；再者，一些嵌入式操作系统和相应的软件开发环境价格比较昂贵，因此限制了嵌入式系统的推广与发展。嵌入式技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域涉及工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境监测、机器人等。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可编程系统级芯片嵌入式系统的教学仪器，以解决嵌入式系统在教学领域的推广与应用的技术问题。
本实用新型所述的可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器是由核心板和主板组成；核心板包括含有多种处理器软核以及配套IP的可编程系统级芯片及分别与其连接的存储器、通信及多媒体接口和人机交互设备，所述存储器包括一组大容量存储器，通信及多媒体接口主要包括以太网控制器及以太网接口、USB控制器及USB接口、音频控制器及音频接口、RS232串口电路、VGA接口电路，人机交互设备主要包括键盘阵列、按键、拨挡开关输入、8段码管、大屏幕TFT彩色LCD显示和VGA控制器，所述可编程系统级芯片还连接一个多重配置控制器；主板主要包括液晶显示器、多通道八位A/D转换模块、单通道八位D/A转换模块、步进电机、直流电机、标准键盘、八位扫描LED数码管、两位静态LED数码管、十六位按键输入模块、十六位拨码开发输入模块、八位LED和多种时钟选择输入；主板上的上述器件分别通过扩展槽与核心板的可编程系统级芯片的I/O端口连接。
如上所述的可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器，核心板的可编程系统级芯片采用Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F672或FPGAEP2C20F484芯片。
本实用新型的优点在于：
1、通过该教学仪器与配套的课程能够使学生了解和掌握从最简单的EDA电路设计到组成SOPC系统的基本模块，如NiosII处理器、调试单元、存储器、通信接口等的设计与仿真，再到芯片级、板级的功能仿真与验证和操作系统、驱动程序运行的全套方法。学生在完成了完整的课程以后，可以独立的进行SoC的前端设计与功能验证工作。
2、除了提供基于商业的NiosII处理器及配套的μC/OS2、μClinux操作系统的教程以外，还提供基于完全开源的32位处理器OpenRISC1200及配套的Linux操作系统的教程以及另外一款开源的32位SPARC V8兼容处理器LEON2/LEON3及配套的RTEMS、Linux操作系统的教程。由于后两套教程使用的处理器、配套IP和操作系统、驱动程序都是完全开源的，学生可以接触每一行RTL级代码和C语言、汇编语言代码，可以有机会真正了解32位RISC处理器以及其他片内控制器的工作原理以及操作系统、驱动程序的实现方法，而不必像面对NIOS2时那样只能面对功能级仿真。而且，由于学生掌握了以上两套系统的RTL级代码和操作系统、驱动程序代码，就可以自由的修改代码，实现处理器的定制功能。甚至，由于以上两套系统都经过了多次ASIC流片验证，学生可以以此为基础设计真正的属于自己的ASIC SoC。
附图说明
图1是本实用新型的教学仪器的主视图。
图2是核心板的主要器件和接口的电路框图。
具体实施方式
本实用新型的核心板的结构参见图2，核心板可以采用Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F672为核心或FPGA EP2C20F484为核心。
核心板上配备了多种类型的存储器和通信、多媒体接口。开发实验平台提供键盘阵列、按键、拨挡开关输入、8段码管、大屏幕TFT彩色LCD显示、VGA等多种人机交互方式，以及RS232串口、PS/2、USB 2.0、以太网等通信接口和SDRAM、FLASH、SRAM等大容量存储器。同时，提供NIOS2、OpenRISC1200、LEON2/LEON3等多种处理器软核以及配套IP，可运行μC/OS2、μCLinux、Linux等多种操作系统。
本实用新型的核心板的主要器件和接口如下：EP2C35F672，200万门，35,000个逻辑单元，FBGA封装，FPGA JTAG接口1个；EPCS16配置存储器，FPGA AS JTAG接口1个；CPLD多重配置控制器，EPM7256，CPLD JTAG接口1个；NOR FLASH两片，AM29LV256，共64MB；NANDFLASH一片，K9F1208U0B，64MB；SRAM一片，CY7C1380C，2MB；SDRAM两片，HY57V561620，共64MB；RS232串口2个；PS2接口2个；10M/100M自适应以太网PHY，LXT971ALC；以太网MAC/PHY控制器，LAN91C111；USB 2.0控制器，ISP1161；USB2.0 PHY，CY7C68000；VGA控制器，ADV7123；AC97 Codec，LM4550VH；2个8段数码管；24个LED；7个按钮；8位拨码开关；通用GP JTAG接口1个。
本实用新型的主板主要器件和接口如下：8寸640*480 TFT真彩LCD；128×64图形点阵液晶显示器；8通道8位AD转换模块；单通道8位DA转换模块；步进电机；直流电机；17标准键盘；8位扫描LED数码管；2位静态LED数码管；16位按键输入模块；16位拨码开发输入模块；8位LED；多种时钟选择输入。主板上的上述器件分别通过扩展槽与核心板的可编程系统级芯片的I/O端口连接
本实用新型是一种SOPC嵌入式系统教学仪器，由PC机和教学仪器组成，教学仪器与PC机通过JTAG相连，实现两者间的数据上传和下载，将PC机的程序通过JTAG下载到核心板中，实现教学仪器的应用程序的开发。教学仪器的串口通过RS232接口同PC机相连，实现教学仪器同PC机之间的通讯，PC机接收教学仪器输入的信息，同时，教学仪器接收PC机的信息，并将信息实时的显示在PC显示器上，教学仪器的另一个串口用于扩展功能。教学仪器的JTAG调试口通过JTAG电缆同PC机的并口相连，实现软件程序调试和对由该教学仪器控制的下位机进行调试处理。教学仪器的网口通过TCP/IP协议同PC机的网口相连，实现PC机与教学仪器的通信。教学仪器扩展了大量的内外存储器，64M线性FLASH、64MSDRAM、64M非线性FLASH，实现了快速存储以及处理速度快的功能，因此，能够在其基础上开发出不同的应用程序。
在教学中，首先连接相应的接口，然后打开PC机，打开教学仪器电源开关，PC显示屏上显示系统初始化的过程；接着，根据教学内容引导学生学习嵌入式系统。具体过程为：学生在PC机的NiosII IDE开发环境中开发出应用程序，通过JTAG口将程序下载到教学仪器的系统中，然后再PC机上应用JTAG调试软件实时调试程序，并将调试结果通过JTAG调试口实时的显示在教学仪器的液晶屏上或PC机的屏幕上，调试通过后就开发出了一个完整的应用程序。
可以根据设计的壳体大小来确定显示器的大小，可选择的多种LCD模式，包括256色彩色LCD(320×240分辨率、或640×480分辨率)、单色LCD(320×240分辨率)、灰度(320×240分辨率)等，总线开关芯片采用型号为74HC07的芯片，对于背光的逆变器，采用TDK的配套产品，采用5V电源可以产生1000伏左右的交流信号。
本实用新型的PC机要求操作系统WIN98/2000/XP，PC机Pentumn100以上。系统安装软件采用quartus5.0，NiosII5.01，Source Insight 3.0，Nios2Linux-1.4，仿真器驱动程序。串口用于同PC机进行通信交换信息。
本实用新型的嵌入式系统教学仪器的外部结构参见图1，它结构简单，易操作，能够有效提高高校学生对SOPC嵌入式系统这门课程的掌握及其应用，引导学生快速准确地掌握SOPC系统，降低了学习难度。同时，也可以指导学生在其平台上开发不同的应用程序并将其应用到不同的领域，对于普及嵌入式技术提供了操作平台。
Claims (2)
1、一种可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器，其特征在于：它由核心板和主板组成；核心板包括含有多种处理器软核以及配套IP的可编程系统级芯片及分别与其连接的存储器、通信及多媒体接口和人机交互设备，所述存储器包括一组大容量存储器，通信及多媒体接口主要包括以太网控制器及以太网接口、USB控制器及USB接口、音频控制器及音频接口、RS232串口电路、VGA接口电路，人机交互设备主要包括键盘阵列、按键、拨挡开关输入、8段码管、大屏幕TFT彩色LCD显示和VGA控制器，所述可编程系统级芯片还连接一个多重配置控制器；主板主要包括液晶显示器、多通道八位A/D转换模块、单通道八位D/A转换模块、步进电机、直流电机、标准键盘、八位扫描LED数码管、两位静态LED数码管、十六位按键输入模块、十六位拨码开发输入模块、八位LED和多种时钟选择输入；主板上的上述器件分别通过扩展槽与核心板的可编程系统级芯片的I/O端口连接。
2、如权利要求1所述的一种可编程系统级芯片嵌入式系统教学仪器，其特征在于：核心板的可编程系统级芯片采用Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F672或FPGA EP2C20F484芯片。
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