基于fpga的ps2鼠标接口设计与应用

基于fpga的ps2鼠标接口设计与应用内容摘要：

%。 Virtex5 LXT 和 SXT 平台提供了内建的 PCI ExPress 端点和千兆以太网模块，并具有在成本和易用性方面的领先的高速串行刀 O设计方案支持。 同时， SXT平台还提供了较高的 DSP 性能，以及强大的 Vinex 一 5串行 FO解决方案。 2020 年 Altera 发布了 Stratix III系列 FPGA，该系列具有高密度、高性能与最低的功耗，采用了 TSMC 的 65nm 工艺技术，其突破性创新包括硬件体系结构提升和 Quartus II 软件改进，与前一代 Stratix II 相比，这些新特性使功耗降低了 50%，性能提高了 25%，密度是其两倍。 与业界其它 FPGA 相比， Stratix III系列具有更大的存储器逻辑比，以及更好的 DSP 性能。 FPGA 与 CPLD 及 ASIC 的比较 CPLD 主要是由可编程逻辑宏单元 (LMC， Logic Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中 LMC 逻辑结构较复杂，并具有复杂的刀 O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。 由于 CPLD 内部采用固定 长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。 到 90 年代， CPLD 发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。 较常用的有为 Xilinx 公司的 CPLD 和 Altera 公司的 CPLD。 FPGA 与 CPLD 都是可编程逻辑器件，是在 PAL、 GAL 等逻辑器件的基础之上发展起来。 同以往的 PAL、 GAL 相比较， FPGA/CPLD 的规模比较大，可以替代几十甚至几千块通用 Ic芯片。 但由于 FPGA 与 CPLD 结构上的差异，具有各自的特点 [4]: 7 (1)CPLD 更适合完成各种算法和组合逻辑， FPGA 更适合于完成时序逻辑。 换句话说， FPGA 更适合于触发器丰富的结构，而 CPLD 更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构 ； (2)CPLD 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可以预测的，而FPGA 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性 ； (3)在编程上 FPGA 比 CPLD 具有更大的灵活性。 CPLD 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程， FPGA 主要通过改变内部连线的布线来编程。 FPGA 可在逻辑门下编程，而 CPLD 是在逻辑块下编程 ； (4)FPGA 的集成度比 CPLD 高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现 ； (5)CPLD 比 FPGA 使用起来更方便。 CPLD 的编程采用 EZPROM 或 FastFlash技术，无需外部存储器芯片，而 FPGA 的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂 ； (6)CPLD 的速度比 FPGA 快，并且具有较大的时间可预测性。 这是由于 FPGA是 门 级编程，并且 CLB 之间采用分布式互联，而 CPLD 是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的 ； (7)在编程方式上， CPLD 主要是基于 EEPROM 或 FLASH 存储器编程，编程次数可达 1 万次，优 点是系统断电时编程信息也不丢失。 CPLD 又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。 FPGA 大部分是基于 SRAM 编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入 SRAM 中。 其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置 ； (8)CPLD 保密性好， FPGA 保密性差 ； (9)一般情况下， CPLD 的功耗要比 FPGA 大，且集成度越高越明显。 而 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)为全定制专用集成电路，与 FPGA 相比各也各自具有自己的优缺点，在此做一个定性比较 [5]。 表 2 FPGA与 ASIC对比 表 2 的比较是根据一般情况确定的。 结论并不是绝对的，例如单片成本应该8 根据具体项目进行计算才能得到正确的结论。 FPGA 最本质的特性是可编程性和设计周期短的优势，而这正是 ASIC 的弱点。 两者在价格上的比较要考虑多种因素，但趋势也是向有利于 FPGA 的方向发展。 FPGA 厂商提供了很好的设计环境，例如 Altera 提供的 Quartus II 软件几乎包括了所有的 EDA 工具。 使用 FPGA，不用和 IC 厂家联系，没有流片费用，可以很快上市 ，没有库存问题，并可以现场升级产品。 在下属场合一般采用 ASIC: (l)门和存储位的数量超过 1千万。 (2)千兆位连接数量较多。 (3)在最低功耗下，主时钟频率高于 300MHZ。 对比可见，从成本、开发难易程度、功耗等常见因素考虑，基于纯硬件控制方式实现控制器 (时序和运算均比较多 )，选择 FPGA 作为开发元件是一个相对好的方案选择。 FPGA 的开发流程 FPGA 是可编程芯片，因此 FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。 硬件包括 FPGA 芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其他设备，软件即 是相应的 VHDL 程序 和 Verilog HDL程序。 FPGA采用自顶而下的设计方法，开始从系统级设计，然后逐步分化到二级单元，三级单元知道可以直接操作基本逻辑单元或 IP核为止，一般情况下设计流程有如下步骤： (1)功能定义 /器件选型。 在 FPGA 设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。 (2)设计输入。 设计输入有原理图输入和硬件描述语言输入，原理图输 入比较直观但不易仿真， 但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重用。 更主要的缺点是可移植性差，当芯片升级后，所有的原理图都需要作一定的改动。 硬件语言包括 VHDL和 Verilog HDL以及 System C等，硬件描述语言输入其共同的突出特点 ：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。 (3)功能仿真。 功能仿真也称为前仿真是在编译之前对用户所设计的电路进9 行逻辑功能验证 ，此时没有延迟信息，仅是对功能的初步检测。 (4)综合优化。 所谓综 合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述。 综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供FPGA 布局布线软件进行实现。 就目前的层次来看，综合优化 (Synthesis) 是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、 RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而并非真实的门级电 路。 (5)综合后仿真。 综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。 在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。 但这一步骤不能估计线延时，因此和布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。 (6)实现与布局布线。 布局布线可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线，并产生相应文件 ( 如配置文件与相关报告 )，实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的 FPGA 芯片上。 (7)时序仿真。 时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延 时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规 ( 即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等 ) 现象。 时序仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能较好地反映芯片的实际工作情况。 (8)板级仿真与验证。 板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第 三方工具仿真和验证。 (9)芯片编程与调试。 设计的最后一步就是芯片编程与调试。 芯片编程是指产生使用的数据文件 ( 位数据流文件， BitstreamGeneration)，然后将编程数据下载到 FPGA 芯片中。 逻辑分析仪 (Logic Analyzer， LA) 是 FPGA 设计的主要调试工具，但需要引出大量的测试管脚，且 LA 价格昂贵。 目前，主流的 FPGA 芯片生产商都提供了内嵌的在线逻辑分析仪。 3 VGA 介绍 VGA 发展及定义 显卡所处理的信息最终都要输出到显示器上，显卡的输出接口就是电脑不显示器之间的桥梁，它负责向显示器输出相应的图像信号。 CRT 显示器因为设计制10 造上的原因，只能接受模拟信号输入，这就需要显卡能输入模拟信号。 VGA 接口就是显卡上输出模拟信号的接口， VGA（ 视频图形矩阵， Video Graphics Array）接口，也叫 DSub 接口。 虽然液晶显示器可以直接接收数字信号，但为了兼容性，大多数液晶显示器也配备了 VGA 接口。 VGA 是 IBM 在 1987 年随 PS／ 2 机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。 目前 VGA 技术的应用还主要基亍 VGA 显示卡的计算机、笔记本等设备。 根据分辨率丌同， VGA 分为 VGA（ 640x480）、 SVGA（ 800x600）、 XGA（ 1024x768）、 SXGA（ 1280x1024）等。 虽然说 VGA 的标准对 于 现在的个人计算机市场十分过时，但是 VGA 仍然是所有制造商所支持的最低标准，例如不管所有厂商的显卡，在不 安装自己驱动的情况下，都是支持 VGA 标准显示的 [6]。 VGA 显示原理 VGA 的电气特性 VGA 接口是一种 D 型接口 (DSUB)，上面共有 15 针空，分成三排，每排五个。 如图 5所示。 而与之配套的底座则为孔型接口。 图 5 VGA接口及底座 虽然标准 VGA 一共 15个接口，但真正用到的信号接口不多，就 5 个。 详细VGA 引脚定义如表 3所示。 表 3 VGA引脚定义 11 VGA 的驱 动概念 显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在 CRT(阴极射线管 )屏幕上从左到右 (受水平同步信号 HSYNC控制 )、从上到下 (受垂直同步信号 VSYNC控制 )做有规律的移动。 光栅扫描又分逐行扫描和隔行扫描。 隔行扫描指电子束在扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后再返回来扫描剩下的线。 与电视机的原。