國產集成電路，提供配套電子課件、程序代碼、習題參考答案等

本書介紹基於中天微國產集成電路 AMBA/AXI 總線嵌入式 CPU 片上繫統（System on Chip，SoC）硬件電路設計，通過一繫列相關實驗構建完整的 SoC 硬件電路。主要內容包括：CK-CPU 簡介、SoC 芯片設計入門、AXI 總線協議、AXI master 模塊設計、並行接口 LCD 和攝像頭控制模塊設計、AXI IIC 設計、SPI 模塊設計、AHB 總線 CK803、MIPI 全高清攝像 SoC 設計、運動控制與中斷、MP3 播放器設計、MJPEG 視頻播放器設計等。本書提供免費配套電子課件，並通過書中二維碼提供免費微課視頻。

張培勇，男，浙江大學副教授，十餘年來從事高校集成電路相關課程的教學、教研和科研工作，經驗豐富。曾就職於中天微從事國產集成電路、國產CPU設計研發工作。

目 錄

1 CK-CPU簡介 1
1．1 CK-CPU特性 1
1．2 CK803 體繫結構簡介 3
1．3 CK807 體繫結構簡介 3
1．4 實驗環境 5
2 SoC 芯片設計入門 6
2．2 CK-CPU SoC 軟件設計環境 10
2．3 CKCPU 的 Hello World 實驗 11
3 AXI總線協議 19
3．1 AXI總線協議介紹 19
3．2 AXI Lite 接口模塊設計 27
3．3 AXI Lite 接口 UART 設計 30
3．4 UART 驅動軟件 65
4 AXI master 模塊設計 72
4．1 AXI 突發傳輸模式 72
4．2 HDMI 控制器硬件設計 74
4．3 HDMI 初始化電路設計 78
4．4 HDMI 輸出電路設計 81
4．5 AXI LITE 接口 HDMI 控制器 88
4．6 AXI FULL 接口 HDMI 控制器 95
4．7 HDMI TMDS 編碼與串行輸出
電路設計 104
5 並行接口 LCD 和攝像頭控制模塊設計 125
5．1 並行 LCD 接口 125
5．2 並行 LCD 控制器設計 128
5．3 並行接口攝像頭控制器設計 135
6 AXI IIC 設計 147
6．1 IIC 總線協議 147
6．2 IIC 總線溫度傳感器 152
6．3 溫度傳感器 SoC 設計 156
6．4 AXI 接口 IIC 控制模塊設計 164
7 SPI模塊設計 203
7．1 SPI總線協議 203



7．2 SPI總線加速度傳感器 206
7．3 加速度傳感器SoC設計 208
7．4 AXI接口SPI控制模塊設計 212
7．5 SPI LCD控制模塊設計 229
8 AHB總線CK803 237
8．1 AHB總線協議 237
7．2 CK803 SoC 241
7．3 AHB to AXI Bridge 242
7．4 AHB to AXI Bridge模塊驗證 245
9 MIPI全高清攝像SoC設計 249
9．1 MIPI總線協議 249
9．2 攝像頭控制 250
9．3 MIPI串行信號接收 252
9．4 MIPI信號解碼 255
9．5 RAW8格式轉RGB 259
9．6 RGB轉YUV 260
9．7 AXI接口MIPI控制器 265
10 運動控制與中斷 276
10．1 兩輪平衡車原理 276
10．2 SoC硬件設計 277
10．3 驅動軟件設計 281
10．4 中斷 282
11 MP3播放器設計 290
11．1 SD卡讀寫 290
11．2 SD卡控制器設計 291
11．3 MP3軟件解碼 331
11．4 PWM音頻播放 332
12 MJPEG視頻播放器設計 338
12．1 JPEG編碼原理 338
12．2 JPEG文件格式 354
12．3 HLS設計IDCT電路 361
12．4 HLS設計JPEG解碼電路 377
12．5 MJPEG SoC設計 397

前 言

EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術是20世紀90年代以來迅速發展起來的電子設計新技術，它以可編程邏輯器件為載體，以計算機為工作平臺，以EDA軟件工具為開發環境，以硬件描述語言（HDL）為電子繫統的功能描述方式，以電子繫統設計為目標，在教學、科研，以及大學生電子設計競賽等應用場合中起著越來越重要的作用。

EDA技術目前成為電子類本科生必須掌握的專業基礎知識與基本技能，國內許多高校的相關學科已將EDA技術作為一門重要的專業基礎課程。隨著教學改革的深入，對EDA課程教學的要求也在不斷提高，為與EDA技術的發展相適應，必須對教學內容進行更新和優化。

我們認為在EDA教學中應注意如下幾點。

首先，要明確最基本的教學內容，並突出重點。EDA技術教學的目的是使學生掌握一種通過軟件的方法來高效地完成硬件設計的設計技術，應以培養學生的創新思維和設計思想為主，同時使學生掌握基本的設計工具和設計方法。

其次，要改進教學方法。EDA教學應主要以引導性教學為主，合理安排理論教學和實驗教學的學時比例，使學生能夠理論聯繫實際，提高實踐動手能力和工程設計能力。

再次，要注重教學實效。EDA課程具有很強的實踐性，針對性強的實驗應該是教學的重要環節，應格外重視EDA實驗的質量。

基於以上的認識，我們安排了本書的章節，本書是以可編程邏輯器件、EDA設計工具、VHDL硬件描述語言三方面內容為主線展開的，貫穿其中的則是現代數字設計的新思想、新方法。

本書是在普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《EDA技術與VHDL設計》基礎上編寫的，全書共10章，主要內容涵蓋了EDA技術的硬件資源、軟件操作和設計應用。

第1章對EDA技術做了綜述，介紹了EDA技術的發展、EDA設計流程及EDA技術涉及的領域。第2章介紹可編程邏輯器件的基本概念、結構組成和工作原理，可編程邏輯器件的編程工藝及測試技術等。第3章具體介紹Altera公司典型的FPGA/CPLD器件的結構與配置。第4章介紹使用集成工具Quartus II軟件進行設計開發的過程，並介紹宏功能模塊的設計與應用。第5章介紹基於VHDL的設計過程及VHDL綜合工具的使用方法。第6章介紹VHDL的語法、結構與要素。第7章介紹VHDL的語句及常用組合電路、時序電路的VHDL設計。第8章結合具體實例介紹用VHDL進行設計的方法。第9章是用VHDL進行數字接口開發的實例。第10章是數字通信常用算法與模塊的設計實例。

為了方便使讀者能夠較繫統、完整地學習EDA技術，掌握EDA設計基本技能，本書從教學的角度出發，盡量將有關EDA技術的內容編入書中，並力求內容精煉，語言通俗易懂。讀者也可以根據實際需要，節選學習書中的部分內容，然後再通過相關EDA技術書籍的學習，達到掌握EDA技術的目的。

本書的教學可安排32～40學時，其中第1章占2學時，第2章占4學時，第3章占4學時，第4章占4學時，第5章占4學時，第6章占4學時，第7章占4～6學時，第8章占2～4學時，第9章占2～4學時，第10章占2～4學時。建議安排8～16學時的實驗，第一個實驗可安排EDA工具軟件的使用方法。此外，各學校也可根據自己的教學計劃適當調整學時安排。本書提供配套電子課件、程序代碼和習題參考答案等教學資源，請登錄華信教育資源網（http://www.hxedu.com.cn）注冊下載。

本書由徐志軍教授主編，並編寫第1、2章，第3、4、5章由王金明編寫，第6、7章由尹廷輝編寫，徐光輝編寫了第8章，蘇勇編寫了第9、10章，全書由徐志軍統稿。南京航空航天大學的王成華教授審閱了全書，並提出了修改意見和建議，杭州電子科技大學的潘松老師也給予了支持和幫助，我們在此表示衷心的感謝！

本書是幾位老師在多年EDA教學經驗的基礎上精心編寫而成的，雖經很大努力，但由於作者水平所限，加之時間倉促，書中錯誤與疏漏之處在所難免，真誠地希望同行和廣大讀者批評指正。

作 者

2015年7月