FPGA设计基础 基于QuartusII的FPGA设计基本流程

1、基于Quartus II FPGA设计基本流程西安邮电学院计算机系西安邮电学院计算机系西安邮电学院计算机系22022/4/20标题栏标题栏1 1 QuartusQuartus 用户界面用户界面资源管理窗口资源管理窗口工具栏工具栏工程工作区工程工作区编译信息窗口编译信息窗口信息显示窗口信息显示窗口菜单栏菜单栏图 1.1 Quartus 界面西安邮电学院计算机系32022/4/20 启动Quartus软件后默认的界面主要由标题栏、菜单栏、工具栏、资源管理窗口、编译状态显示窗口、信息显示窗口和工程工作区等部分组成。u标题栏：标题栏中显示当前工程的路径和工程名。u菜单栏：菜单栏主要由文件（File）、

2、编辑（Edit）、视图（View）、工程（Project）、资源 （Assignments）、 操作（Processing）、工具（Tools）、窗口（Window）和帮助 （Help）等菜单组成。u工具栏：工具栏中包含了常用命令的快捷图标。u资源管理窗：资源管理窗口用于显示当前工程中所有相关的资源文件。u工程工作区：当Quartus实现不同的功能时，此区域将打开对应的操作窗口，显示不同的内容， 进行不同的操作，如器件设置、定时约束设置、编译报告等均显示在此窗口中。u编译状态显示窗口：此窗口主要显示模块综合、布局布线过程及时间。u信息显示窗口：该窗口主要显示模块综合、布局布线过程中的信息，如编

3、译中出现的警告、错误 等，同时给出警告和错误的具体原因。1 Quartus 1 Quartus 用户界面用户界面西安邮电学院计算机系42022/4/202 2 基于基于QuartusQuartusu FPGA工程开发主要流程下载仿真时序分析适配综合设计输入约束表 2.1 FPGA开发流程西安邮电学院计算机系52022/4/203 3 设计的输入设计的输入主要内容：u创建工程u图形输入u文本输入uNOTES西安邮电学院计算机系62022/4/20u可通过创建工程向导创建一个的工程。3.1 3.1 设计的输入设计的输入创建工程创建工程图 3.1 设置工程文件夹及工程名图 3.2 添加已存在文件（可

4、选）工程是设计文件的组织形式，是一次设计过程的实体单位。西安邮电学院计算机系72022/4/20图 3.3 选择器件图 3.4 设定第三方工具图 3.5 显示设置信息图 3.6 工程建立完成3.1 3.1 设计的输入设计的输入 - - 创建工程创建工程西安邮电学院计算机系82022/4/203.1 3.1 设计的输入设计的输入 - - 图形输入图形输入原理图输入法也称为图形编辑输入法，用Quartus原理图输入设计法进行数字 系统设计时，不需要任何硬件描述语言的知识，在具有数字逻辑电路基本知识 的基础上，利用Quartus软件提供的EDA平台设计数字电路或系统。图形输入的简要步骤如下： 1.选

5、择【File】-【New】选项， 打开新建文件类型选择窗口 2.选择Block Diagram/Schematic File打开图形编辑输入窗口 （下页）图 3.7 新建图形输入文件西安邮电学院计算机系92022/4/203.1 3.1 设计的输入设计的输入 - - 图形输入图形输入图 3.8 图形编辑器界面西安邮电学院计算机系102022/4/203.在图形编辑窗口中任一个位置双击鼠标，或点击图中的“符号工具”按钮，或选择 菜单Edit下的Insert Symbol命令，弹出下图所示的元件选择窗口：3.1 3.1 设计的输入设计的输入 - - 图形输入图形输入图 3.9 Symbol 对话框

6、西安邮电学院计算机系112022/4/203.1 3.1 设计的输入设计的输入 - - 图形输入图形输入4. 通过选取元件，便可在工作区中完成电路的设计输入。图 3.10 图形方式完成电路的设计输入西安邮电学院计算机系122022/4/203.3 3.3 设计的输入设计的输入 - - 文本输入文本输入Quartus 自带文本编辑器，用于程序设计输入。与图形输入类似，选择Verilog HDL File输入方式，即可打开文本编辑器；如右图所示，在编辑器中完成程序代码的编写。图 3.11 新建文本输入文件图 3.12 完成代码输入西安邮电学院计算机系132022/4/203.3 3.3 设计的输入

7、设计的输入 - NOTES- NOTESu PFGA开发流程中的设计输入、综合以及仿真步骤也可在第三方工具软件中完成。此时Quartus软件将第三方工 具的输出作为输入文件，继续进行后续流程。u 在设计输入完成后，可以通过选择菜单【Processing】-【Start】-【Start Analysis & Elaboration】选项， 对输入进行分析，如果存在错误，信息窗口将出现错误信息； u 分析完成后，可通过菜单【Tools】-【Netlist viewer】-【RTL Viewer】查看设计对应的寄存器传输级视图。图 3.13 RTL视图西安邮电学院计算机系142022/4/20u综合

8、（Synthesis）：综合过程完成对设计文件进行分析，生成门级网表文件。u在Quartus 中完成设计的输入后选择【Processing】-【Start】-【Start Analysis & Synthesis】可以启动综合过程。u综合过程的输入可以是设计源文件(.v/.vhd/.tdf/.bdf etc.)，也可以是第三方综合 工具的输出文件，如Synplify综合工具输出的综合结果.edf/.vqm文件。u综合后形成工程数据库文件，用于后续的布局布线流程。u门级是RTL级的更进一步，设计此时已转变以基本逻辑门单位的逻辑网表。u综合设计流程图的如图4.1所示：4 4 综合综合西安邮电学院计

9、算机系152022/4/204 4 综合综合图 4.1 综合设计流程西安邮电学院计算机系162022/4/205 5 适配（适配（FitterFitter）u 适配过程执行布局布线功能 。Fitter 使用由Analysis & Synthesis建立的数据 库，将工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配。它将每个逻辑功能分配 给最佳逻辑单元位置，进行布线和时序分析，并选定相应的互连路径和引脚分配。u 适配完成后，通过Netlist Writer生成的标准网表文件(.vo) 以及标准延时(.sdo) 文件，用于对设计进行时序仿真（后仿真）。图 5.1 布局布线设计流程西安邮电学院计算机系17

10、2022/4/206 6 约束约束u 建立工程和设计之后，可以使用 Quartus II 软件 Assignment 菜单中的 Settings 对话框、Assignment Editor 、Pin Planner、Design Partitions 窗口和 Timing Closure 布局图指定初始设计约束条件，例如，引脚分配、 器件选项、逻辑选项和时序约束条件。u 约束将对后序的综合与适配过程产生控制与影响。图 6.1 约束和分配输入流程图西安邮电学院计算机系182022/4/20 使用【Assignments】菜单下的Settings 对话框，可以设置一般工程范围的选项以及综合、适配、

11、仿真和时序分析选项。如：n修改工程设置：为工程和修订信息指定和查看当前顶层实体；从工程中添加和删除文件；指定自定义的用户库；为封装、引脚数量和速度等级指定器件选项；指定移植器件。n指定 EDA 工具设置: 为设计输入、综合、仿真、时序分析、物理综合以及相关工具选项指定 EDA 工具。n指定编译过程选项：智能编译选项，在编译过程中保留节点名称，运行Assembler，以及渐进式编译或综合，并且保存节点级的网表，导出版本兼容数据库，显示实体名称，使能或者禁止OpenCore Plus 评估功能，还为生成早期时序估算提供选项。n指定时序分析设置：为工程设置默认频率，定义各时钟的设置，延时要求和路径排

12、除选项以及时序分析报告选项。n指定PowerPlay Power Analyzer设置: 输入文件类型、输出文件类型和默认触发速率，以及结温、散热方案要求、器件特性等工作条件。n后续6.1.1，6.1.2以及第七章中的设置。6.16.1约束约束 Settings Settings对话框对话框西安邮电学院计算机系192022/4/206.1.1 6.1.1 约束约束 Settings Settings对话框对话框 - Analysis & Synthesis - Analysis & Synthesis 设置设置 选择菜单【Assignments】-【Settings】对话框Category中的

13、Analysis & Synthesis settings选项，则可进行用于Analysis&Synthesis、HDL输入、默认设参数和综合网表优化选项工程范围内的设置。图 6.2 设置综合约束西安邮电学院计算机系202022/4/206.1.2 6.1.2 约束约束SettingsSettings对话框对话框Fitter Fitter 设置设置 选择菜单【Assignments】-【Settings】对话框Category中的Fitter Settings选项，则可进行时序驱动编译选项、Fitter等级、工程范围的Fitter逻辑选项分配，以及物理综合网表优化等设置。图 6.3 设置适配约

14、束西安邮电学院计算机系212022/4/206.2 6.2 约束约束分配编辑器分配编辑器Assignment Editor 界面用于在 Quartus II 软件中建立、编辑节点和实体级别分配。分配用于在设计中为逻辑指定各种选项和设置，包括位置、I/O 标准、时序、逻辑选项、参数、仿真和引脚分配。图 6.4 分配编辑器西安邮电学院计算机系222022/4/206.3 6.3 约束约束引脚分配引脚分配引脚分配可以在Assign Editer中进行，也可在【Assignments】-【Pin Planner】中实现，如图：图 6.5 Pin Planner西安邮电学院计算机系232022/4/20

15、7 7 时序分析时序分析u Quartus时序分析器(Timing Analyser)允许用户分析设计中所有逻辑的性能， 并协助引导适配器满足设计中的时序要求。Quartus 软件执行全编译过程中， 时序分析器自动运行，并在编译报告中给出时序分析结果，如建立时间(tsu)， 保持时间(th)，时钟到输出延时(tco)，引脚到引脚延时(tpd)，最大时钟频率 (fmax)以及设计中的其它时序特性。u 选择【Assignments】-【Timing Analysis Settings】命令，弹出Settings对 话框的Timing Requirements & Opinions 页，如图 7.1

16、所示，在对话框中， 可以对逻辑的静态时序要求做出设定。u 选择菜单【Processing】-【Start】-【Start Timing Analyzer】可以单独 启动静态时序分析进程，这一步骤默认包括在全编译进程中。u 在编译结束后，通过编译报告(Compilation Report)中的Timing Analyzer项 可以查看设计中的时序是否满足要求，如图7.2所示。西安邮电学院计算机系242022/4/20图 7.1 时序设置页7 7 时序分析时序分析西安邮电学院计算机系252022/4/207 7 时序分析时序分析图 7.2 查看时序分析结果西安邮电学院计算机系262022/4/20

17、u目前常用的仿真工具是Modelsim，Quartus软件可以在Settings窗口中设置仿真工具，并在设计过程中生成仿真所需的文件。u根据仿真逻辑意义的不同，仿真可分为三类： 1).RTL级仿真； 2).功能仿真； 3).时序仿真；uRTL级仿真：也称作行为仿真，是对设计实体在寄存器传输层面上进行仿真，这种仿真可以在综合过程之前进行，因此不需要库的支持，仿真器只需要对源设计文件 进行分析编译即可建立仿真模型。u功能仿真：在编译进程对设计进行综合与适配后，通过Netlist Writer生成标准网表文件(.vo后缀) 以及标准延时文件(.sdo后缀)，功能仿真需要综合后的标准网标文件作为输入，

18、同时需要库的支持，进行仿真，这种仿真没有考虑器件的延时和布线的延时，而是从逻辑功能上对设计进行验证。u时序仿真：与功能仿真相比，时序仿真加入了适配后的标准延时文件，对器件和布线的延时进行了模拟，因此是一种最接近实际情况的仿真。u仿真流程图如图8.1所示。8 8 仿真仿真西安邮电学院计算机系272022/4/208 8 仿真仿真图 8.1 仿真流程图西安邮电学院计算机系282022/4/209 9 编程下载编程下载u对设计进行验证后，即可对目标器件进行编程和配置，下载设计文件到硬件中进行硬件验证。uQuartus编程器Programmer最常用的编程模式是JTAG模式和主动串行编程模式AS。uJ

19、TAG模式主要用在调试阶段，主动串行编程模式用于板级调试无误后将用户程序固化在串行配置芯片EPCS中。 西安邮电学院计算机系292022/4/20 JTAG编程下载模式步骤：u选择Quartus主窗口的Tools菜单下的Programmer命令或点击 图标，进入器件编程和配置对话框。如果此对话框中的Hardware Setup后为“No Hardware”，则需要选择编程的硬件。点击Hardware Setup，进入Hardware Setup对话框，下页图所示，在此添加硬件设备。u配置编程硬件后，选择下载模式，在Mode中指定的编程模式为JTAG模式；u确定编程模式后，单击 添加相应的cou

20、nter.sof编程文件，选中counter.sof文件后的Program/Configure选项，然后点击 图标下载设计文件到器件中，Process进度条中显示编程进度，编程下载完成后就可以进行目标芯片的硬件验证了。u界面如图9.1所示9.1 JTAG9.1 JTAG方式下载方式下载西安邮电学院计算机系302022/4/209.1 JTAG9.1 JTAG方式下载方式下载图 9.1 编程下载对话框西安邮电学院计算机系312022/4/20AS主动串行编程模式下载步骤：u选择Quartus主窗口Assignments菜Device命令，进入 Settings对话框的 Device页面进行设置，如图9.2所示。u选择Quartus主窗口的Tools菜单下的Programmer命令或点击图标 ，进入器件编程和配置对话框，添加硬件，选择编程模式为Active Serial Program；u单击 添加相应的counter