FPGA黑金开发板用户手册

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2023年12月30日发(作者：)

黑金动力II代 用户手册

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Black Gold

黑金动力II代

用户手册v1.0

黑金动力II代 用户手册

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版本

1.0

修订日期

2010.08.13

修订内容

初始版本

黑金动力II代 用户手册

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目录

黑金动力II代 用户手册

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内容介绍:本手册包括以下部分

第一部分, 主要器件及特性

第二部分, 开关,按键及数码管

第三部分, VGA接口

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Chapter 1 主要器件及特性

本手册中描述了”黑金动力”系列开发板的设计原理和使用方法,作为开发板的配套说明材料.

这套开发板主要是面向FPGA的初级,中级开发人员,或者对FPGA感兴趣的爱好者,偏向个人用户.这套开发板采用核心板与扩展板分离的方式,简单实用,扩展性好,特别适合爱好者的快速入门和开发人员的产品开发验证,也适合做更深入的IC前端设计.在这套开发板上,一切皆有可能.

同时,这套开发板也提供了一个SOPC平台,可以实现嵌入式的软核,如NIOSII,Open

RISC等,为嵌入式电子产品的设计开发提供了又一种选择.

主要元器件介绍

 Altera Cyclone Ⅱ系列 FPGA

核心板配置的FPGA芯片是Cyclone Ⅱ系列的 EP2C8Q208C

特性

Les

M4K RAM BLOCKS(4Kbits plus 512 parity bits)

TOTAL RAM BITs

Embedded multipliers

PLLs

EP2C8Q208C

8256

36

165,888

18

2

更详细可到:

/literature/ 下载官方手册

 64Mbit的SDRAM

核心板同时配备了高达64Mbit的SDRAM,对于运行NIOS的软核提供了有力的保障,这款芯片的时钟频率有143MHz,实验证明,NIOSⅡ可以稳定地运行120MHz,速度还是相当快的.

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 16Mbit的配置芯片

核心板还配备了16Mbit的配置芯片,不仅可以储存配置信息,同时可以实现NIOSⅡ软件程序存储.

 20MHz的有源晶振

20M的有源晶振为整个系统提供了时钟源泉.

 ENC28J60网口芯片

实现开发板与以太网之间的通信实验.

 USB 2.0高速数据接口

采用应用广泛,性能稳定的CH376芯片,实现了开发板USB接口的扩展,便于与计算机进行高速数据通信.

 板载128*64的点阵LCD

采用ST7565P控制芯片,内置DC/DC电路,可以通过串行,并行进行通信.

 实时时钟芯片(RTC)

配置DS1302芯片,增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力.

 EEPROM

配置24LC04芯片,24LC04是512*8bit的EEPROM,支持IIC接口.

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 PS/2鼠标,键盘接口

标准的鼠标,键盘接口,支持3.3V和5V设备,可以 用来验证PS/2接口协议.

 9针RS-232串口

实现与计算机的数据通信,辅助调试.

 VGA接口

标准VGA接口,可直接与显示器连接,用于验证VGA时序.

 5个独立按键

可以与液晶配合,实现完美的人机界面.

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开发板示意图

核心板

扩展板

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Chapter 2 开关,按键与数码管

按键在绝大多数电子电气设备中都存在身影,可以说,如果说显示屏是人与机器之间沟通的窗户的话,按键就是沟通的桥梁,通过按键,可以方便快捷地对机器进行操作控制.在黑金开发板中,我们设置了5个按键,分别为上,下,左,右,确认,用户可以自行设定按键的功能.

电源开关

电源接口及开关位于核心板左上方,如图

其中F1为限流1.1A的F110保险管,在电源的保护上起到了很大的作用

按键

核心板上的复位电路

该复位电路可以实现对开发板的初始化作用,防止程序陷入死循环.

扩展板上的按键

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扩展板上搭配有5个按键,可以满足大多数场合的设计需要,采用低电平闭合电路.

按键开关管脚映射表

Push Button

FPGA Pin

Key1

3

Key2

5

Key3

4

Key4

10

Key5

6

LEDs

在核心板上设置了4个LED,可以作为测试使用,电路如图

LED管脚映射表

LED Pin

LED1

LED2 LED3 LED4

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FPGA Pin 69 70 72 74

数码管

在扩展板上并设有6位独立共阳数码管,实验证明数码管在诸多设计开发中起到了不可代替的作用.数码管的电路如图

该电路图为第一位数码管的电路,其他的电路与之类似.其中,每个数码管都通过一个9012三极管放大电流,保证其亮度均匀.

数码管管脚映射表

DIG

DIG bit

FPGA Pin

SELS

FPGA Pin

DIG1

LEDA

15

SEL0

7

DIG2

LEDB

16

LEDC

13

SEL1

8

DIG3

LEDD

10

SEL2

5

DIG4

LEDE

9

SEL3

6

DIG5

LEDF

11

SEL6

3

LEDG

12

DIG6

LEDH

14

SEL7

4

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Chapter 3 点阵型液晶显示器(LCD)

在扩展板的右方包括了一块128*64像素的液晶显示器,带有少见的白色背光.常见的LCD模块有LCM(玻璃),背光,PCB板,三种之中LCM(玻璃)模块必不可少,有无背光,有无PCB用户可以根据需要自行选择.点阵的LCD模块按驱动控制器的集成方式分成两种:COB和COG,COG是将驱动控制芯片集成到了玻璃里面,用户只需在电路板上加上无法集成的电阻电容即可实现对LCD的控制;而COB则需要将驱动芯片焊接在LCD模块后面的PCB板上.

黑金开发板上提供的LCD使用的是COG液晶,它将驱动控制IC集成到了LCM上,这样就省去了PCB底板,节省了很大的空间.该LCD的驱动芯片为ST7565P,支持三种接口方式,通常采用串行时序方式,接口简单,使用方便.

LCD的原理图

LCD的管脚映射表

LCD

FPGA Pin

LCD_CS

40

LCD_A0

37

LCD参数

LCD_SCL

38

LCD_SI

35

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注意:该LCD的显存存在8(page)*8+1行,即65行,s0-s131列,即132列,与标准的128*64液晶有的差异,该LCD的最后一行(page8的D0)和最后三列(ADC为正常时,s129,s130,s131;ADC为反向时,s0,s1,s2)是不能显示的,而显存上其他数据与LCD上的点一一对应,具体如下图红圈所示

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显示屏上的每个点都对应控制器片内显示缓存RAM中的一个位,显示屏上的64*128个点分别对应显示RAM的8个Page,每个Page有128 Byte的空间对应,如图所示

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用户如果要点亮LCD屏幕上的某一个点时,实际上就是对该点所对应的显示RAM区中的某一个位进行置1操作;所以就要确定该点所在的行地址,列地址.由上图可以看出,液晶的行地址实际上就是Page的信息,每个Page应有8行;而列地址表示该点的横坐标,在屏上为从左到右排列,Page中的一个Byte对应的是一列(8行,即8个点),一共128列.可以根据这样的关系在程序中控制LCD屏幕的显示.

在LCD上显示字符,不管是中文还是英文,都需要字库的支持,在有些LCD模块中,已经将字库烧写在芯片当中,这样的字库有优点也有缺点.优点是操作简单,而缺点是不灵活,显示效果不好,扩展性差,而且性价比不高.黑金开发板所选用的COG屏幕是不带字库的.

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Chapter 4 VGA接口

VGA(Video Graphics Array)接口,也叫D-Sub接口,是显示卡上输出模拟信号的接口,显卡所处理的信息最终都要输出到显示屏上显示,显卡的输出接口就是电脑与显示屏之间桥梁,它负责向显示器输出相应的图像信号.CRT显示器因为设计制造上的原因,只能接受模拟信号,这就需要显卡能够输入模拟信号,于是就有了VGA接口.虽然液晶显示器可以直接接接收数字信号,但是为了兼容性,大多数液晶显示器也配备了VGA接口模块.

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.根据分辨率不同，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.

VGA接口是一种D型接口(D-SUB),上面共有15个针孔,分成三排,每排五个,如图所示.

VGA引脚定义

引脚 名称 描述

引脚 名称 描述

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-

1

2

3

4

5

6

7

8

RED

GREEN

BLUE

ID2

GND

RGND

GGND

BGND

RED Video

GREEN Video

BLUE Video

Monitor ID bit2

Ground

Red Ground

Green Ground

Blue Ground

9

10

11

12

13

14

15

KEY

SGND

ID0

ID1

KEY(No pin)

Sync Ground

Monitor ID bit0

Monitor ID bit1

HSYNC Horizontal Sync

VSYNC

ID3

Vertical Sync

Monitor ID bit3

引脚1,2,3分别为红绿蓝三基色模拟电压,为0~0.714V peak-peak（峰-峰值）,0V代表无色,0.714V代表满色.一些非标准显示器使用的是 1Vpp的满色电平.HSYNC与VSYNC分别为行数据同步与帧数据同步,为TTL电平.

黑金开发板的扩展板上配备了一个VGA接口,其电路为

VGA管脚映射表

VGA Pin

FPGA Pin

VGA_R

32

VGA_G

33

VGA_B

34

VGA_HS

36

VGA_VS

35

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VGA的时序介绍

VGA的时序如图所示,它分为行数据时序和帧数据时序

行数据时序为显示一行数据的时序,由上图可看出,显示一行数据需要处理两件事情:第一,产生行同步HSYNC.不难看出HSYNC是一个脉冲信号,该信号周期为:e=a+b+c+d,低电平时间为a.其中a,b,c,d均为时间信号,这些信号根据需要显示的分辨率的不同而不同.第二,产生显示的数据(DATA)信号,此信号为模拟信号,当在显示有效数据(Active Video)内,DATA信号为0~0.714Vpp的模拟电压(R,G,B),根据分辨率的不同,DATA的采样率,点数也不同.

帧数据时序与行数据时序类似,是显示一个屏数据的时序.只是这里的基本单位为每行数据,而行数据里面的最基本单位为每个点.

下表列出常用分辨率及时间参数

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Chapter 5 PS/2 鼠标键盘接口

PS/2 原是“Personal System 2”的意思，“个人系统2”，是IBM公司在上个世纪80年代推出的一种个人电脑。以前完全开放的PC标准让IBM觉得利益受了损失。所以IBM设计了PS/2这种电脑，目的是重新定义PC标准，不再采用开放标准的方式。在这种电脑上IBM使用了新型MCA总线，新的OS/2操作系统。PS/2电脑上使用的键盘鼠标接口就是现在的PS/2接口。因为标准不开放，PS/2电脑在市场中失败了。只有PS/2接口一直沿用到今天。

PS/2是在较早电脑上常见的接口之一，用于鼠标、键盘等设备。一般情况下，PS/2接口的鼠标为绿色，键盘为紫色。

PS/2接口是输入装置接口，而不是传输接口。所以PS2口根本没有传输速率的概念，只有扫描速率。在Windows环境下，PS/2鼠标的采样率默认为60次/秒，USB鼠标的采样率为120次/秒。较高的采样率理论上可以提高鼠标的移动精度。

PS/2接口设备不支持热插拔，强行带电插拔有可能烧毁主板。

PS/2可以与USB接口互转，即PS/2接口设备可以转成USB，USB接口设备也可以转成PS/2

早期，在PS/2键盘中，包含了一个嵌入式的微控制器(如InDl，8048系列)，以用来执行各项的工作并减少整个系统工作中的负担。微控制器所要作的工作就是监测所有的按键，以及当按键被按下或放开时，就回报给主机。

在黑金开发板的扩展板上设置了一个PS/2接口,采用标准6针mini-DIN接口,其电路如图所示

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PS/2管脚映射表

PS/2 Pin

FPGA Pin

PS2DAT

30

PS/2接口示意图

PS2CLK

29

PS/2接口通过两根信号线与计算机进行通信,PS/2总线包括时钟和数据线.数据信号使用11 bit的串行信号.鼠标与键盘所发送的数据包是不同的.

读取基本的键盘数据,不需要FPGA发送任何数据,只需读取键盘发回来的数据即可.

如下面的时序图.

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每次键盘发送11个clock信号，我们需要做的事情就是在时钟的下降沿读取数据

这11个数据的功能如图所示

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Chapter 6 RS-232 串行接口

RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

黑金开发板为用户设置的是采用DB9接口标准的串口接口.

其电路如图

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UART 管脚映射表

UART Pin

FPGA Pin

RXD

147

PS:电路使用了MAX232芯片来对串口进行控制,

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电.

MAX232的详细手册可到/cn/docs/prod/folders/print/?DCMP=CN_HPA_BSE&HQS=Interf-484&247SEM 查看

TXD

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Chapter 7 USB接口及芯片

USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。

USB接口可用于连接多达127个外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。

黑金开发板为用户提供了两个USB接口,分别为扁头和方头,方便用户的选择.

USB的电路如图

USB管脚映射表

USB PIN FPGA PIN USB PIN

FPGA PIN USB PIN FPGA PIN

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USB AO

USB INT

USB DB2

USB DB5

17

20

23

26

USB RD

USB DB0

USB DB3

USB DB6

该USB由南京沁恒的CH376芯片控制. CH376 是文件管理控制芯片，用于单片机系统读写U 盘或者SD 卡中的文件.

CH376 支持USB 设备方式和USB 主机方式，并且内置了USB 通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD 卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32 以及FAT12 文件系统的管理固件，支持常用的USB 存储设备（包括U 盘/USB 硬盘/USB 闪存盘/USB 读卡器）和SD 卡（包括标准容量SD 卡和高容量HC-SD 卡以及协议兼容的MMC 卡和TF 卡）。

CH376 支持三种通讯接口：8 位并口、SPI 接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH376 芯片，存取U 盘或者SD 卡中的文件或者与计算机通讯。

CH376 的USB 设备方式与CH372 芯片完全兼容，CH376 的USB 主机方式与CH375

芯片基本兼容。

下图为CH376的应用框图

18

21

24

27

USB WR

USB DB1

USB DB4

USB DB7

19

22

25

2

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CH376芯片的具体使用可参考:/download/CH376/

Chapter 8 网线接口与芯片

网络在日常生活中是必不可少的一样工具,通过网络我们可以更轻易地触摸外面的世界,因此在黑金开发板上我们为用户提供了一个LAN接口,并采用ENC28J60芯片控制,使用户在学习TCP/IP协议及其他网络协议时获得更好的实践效果.

ENC28J60是Microchip Technology(美国微芯科技公司)推出的28脚独立以太网控制器,有如下特性:

• IEEE 802.3 兼容的以太网控制器

• 集成MAC 和10 BASE-T PHY

• 接收器和冲突抑制电路

• 支持一个带自动极性检测和校正的10BASE-T 端口

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• 支持全双工和半双工模式

• 可编程在发生冲突时自动重发

• 可编程填充和CRC 生成

• 可编程自动拒绝错误数据包

• 最高速度可达10 Mb/s 的SPI 接口

ENC28J60各引脚的定义:

ENC28J60在黑金开发板上的电路图:

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LAN引脚分配表

LAN PIN

LAN_nINT

LAN_MISO

LAN_SCK

LAN_Nrst

FPGA PIN

5

7

9

11

LAN PIN

LAN_nWOL

LAN_MOSI

LAN_nCS

FPGA PIN

6

8

10

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Chapter 9 RTC时钟芯片

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒迕行计时，具有闰年补偿功能.DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力.

黑金开发板上RTC时钟电路为:

RTC引脚分配表

RTC PIN

FPGA PIN

RTC_nRST

12

RTC_DATA

13

RTC_SCLK

14

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附录A

引脚分配脚本文件

1.复位按键

########################################################

set_location_assignment PIN_23 -to RESET

########################################################

2.扩展按钮

########################################################

set_location_assignment PIN_3 -to KEY[0]

set_location_assignment PIN_5 -to KEY[1]

set_location_assignment PIN_4 -to KEY[2]

set_location_assignment PIN_10 -to KEY[3]

set_location_assignment PIN_6 -to KEY[4]

########################################################

#######################################################

set_location_assignment PIN_69 -to LED[0]

set_location_assignment PIN_70 -to LED[1]

set_location_assignment PIN_72 -to LED[2]

set_location_assignment PIN_74 -to LED[3]

#######################################################

4.数码管

#######################################################

set_location_assignment PIN_44 -to DIG[0]

set_location_assignment PIN_43 -to DIG[1]

set_location_assignment PIN_46 -to DIG[2]

set_location_assignment PIN_56 -to DIG[3]

set_location_assignment PIN_57 -to DIG[4]

set_location_assignment PIN_48 -to DIG[5]

set_location_assignment PIN_47 -to DIG[6]

set_location_assignment PIN_45 -to DIG[7]

set_location_assignment PIN_58 -to SEL[7]

set_location_assignment PIN_59 -to SEL[6]

set_location_assignment PIN_60 -to SEL[5]

set_location_assignment PIN_61 -to SEL[4]

set_location_assignment PIN_63 -to SEL[3]

set_location_assignment PIN_64 -to SEL[2]

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set_location_assignment PIN_67 -to SEL[1]

set_location_assignment PIN_68 -to SEL[0]

#######################################################

#######################################################

set_location_assignment PIN_8 -to LCD_CS

set_location_assignment PIN_12 -to LCD_A0

set_location_assignment PIN_11 -to LCD_SCL

set_location_assignment PIN_14 -to LCD_SI

#######################################################

#######################################################

set_location_assignment PIN_175 -to S_DB[0]

set_location_assignment PIN_173 -to S_DB[1]

set_location_assignment PIN_171 -to S_DB[2]

set_location_assignment PIN_170 -to S_DB[3]

set_location_assignment PIN_169 -to S_DB[4]

set_location_assignment PIN_168 -to S_DB[5]

set_location_assignment PIN_165 -to S_DB[6]

set_location_assignment PIN_164 -to S_DB[7]

set_location_assignment PIN_205 -to S_DB[8]

set_location_assignment PIN_203 -to S_DB[9]

set_location_assignment PIN_201 -to S_DB[10]

set_location_assignment PIN_200 -to S_DB[11]

set_location_assignment PIN_199 -to S_DB[12]

set_location_assignment PIN_198 -to S_DB[13]

set_location_assignment PIN_197 -to S_DB[14]

set_location_assignment PIN_195 -to S_DB[15]

set_location_assignment PIN_179 -to S_A[0]

set_location_assignment PIN_180 -to S_A[1]

set_location_assignment PIN_181 -to S_A[2]

set_location_assignment PIN_182 -to S_A[3]

set_location_assignment PIN_185 -to S_A[4]

set_location_assignment PIN_187 -to S_A[5]

set_location_assignment PIN_188 -to S_A[6]

set_location_assignment PIN_189 -to S_A[7]

set_location_assignment PIN_191 -to S_A[8]

set_location_assignment PIN_192 -to S_A[9]

set_location_assignment PIN_176 -to S_A[10]

set_location_assignment PIN_193 -to S_A[11]

set_location_assignment PIN_207 -to S_CLK

set_location_assignment PIN_151 -to S_BA[0]

set_location_assignment PIN_150 -to S_BA[1]

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set_location_assignment PIN_161 -to S_nCAS

set_location_assignment PIN_208 -to S_CKE

set_location_assignment PIN_160 -to S_nRAS

set_location_assignment PIN_162 -to S_nWE

set_location_assignment PIN_152 -to S_nCS

set_location_assignment PIN_206 -to S_DQM[1]

set_location_assignment PIN_163 -to S_DQM[0]

#########################################################

#########################################################

set_location_assignment PIN_117 -to USB_DB[0]

set_location_assignment PIN_118 -to USB_DB[1]

set_location_assignment PIN_127 -to USB_DB[2]

set_location_assignment PIN_128 -to USB_DB[3]

set_location_assignment PIN_133 -to USB_DB[4]

set_location_assignment PIN_134 -to USB_DB[5]

set_location_assignment PIN_135 -to USB_DB[6]

set_location_assignment PIN_137 -to USB_DB[7]

set_location_assignment PIN_113 -to USB_A0

set_location_assignment PIN_115 -to USB_WR

set_location_assignment PIN_116 -to USB_nINT

set_location_assignment PIN_114 -to USB_RD

#########################################################

#########################################################

set_location_assignment PIN_129 -to LAN_nINT

set_location_assignment PIN_131 -to LAN_nWOL

set_location_assignment PIN_104 -to LAN_MOSI

set_location_assignment PIN_132 -to LAN_MISO

set_location_assignment PIN_103 -to LAN_SCK

set_location_assignment PIN_102 -to LAN_CS

set_location_assignment PIN_105 -to LAN_nRST

#########################################################

#########################################################

set_location_assignment PIN_142 -to VGA[0]

set_location_assignment PIN_143 -to VGA[1]

set_location_assignment PIN_144 -to VGA[2]

set_location_assignment PIN_146 -to VGA_HS

set_location_assignment PIN_145 -to VGA_VS

#########################################################

黑金动力II代 用户手册

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-

#########################################################

set_location_assignment PIN_147 -to RXD

set_location_assignment PIN_149 -to TXD

#########################################################

11.24LC04

#########################################################

set_location_assignment PIN_112 -to I2C_SDA

set_location_assignment PIN_110 -to I2C_SCL

#########################################################

/2

#########################################################

set_location_assignment PIN_138 -to PS2DAT

set_location_assignment PIN_139 -to PS2CLK

#########################################################

1302

#########################################################

set_location_assignment PIN_108 -to RTC_SCLK

set_location_assignment PIN_106 -to RTC_nRST

set_location_assignment PIN_107 -to RTC_DATA

set_location_assignment PIN_141 -to BUZZER

#########################################################

本文标签： 接口芯片数据