FPGA入门及Quartus II使用教程(内部资料)
更新时间:2024-05-07 02:47:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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FPGA入门及Quartus II使用教程
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)、门阵列逻辑GAL(Gate Array Logic)等可编程器件的基础上上进一步发展的产物。
可以这样讲,ASIC(Application Specific Integrated Circuit )内部的所有资源,是用积木堆积起来的小房子,可以是一个欧美风情的房子,还可以是一个北京四合院…….而FPGA内部就可以说是一个个小积木,也就是内部有大量的资源提供给我们,根据我们的需求进行内部的设计。并且可以通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。
第一章 FPGA的基本开发流程
下面我们基于 Altera 公司的 QuantusII 软件来说明FPGA 的开发流程。 下图是一个典型的基于Quartus II的FPGA开发整体流程框图。
1、建立工程师每个开发过程的开始,Quartus II以工程为单位对设计过程进行管理。
2、建立顶层图。可以这样理解,顶层图是一个容器,将整个工程的各个模块包容在里边,编译的时候就将这些模块整合在一起。也可以理解为它是一个大元件,比如一个单片机,内部包含各个模块,编译的时候就是生成一个这样的大元件。
3、采用ALTERA公司提供的LPM功能模块。Quartus软件环境包含了大量的常用功能模块,比如计数器、累加器、比较器等等。
4、自己建立模块。由于有些设计中现有的模块功能不能满足具体设计的要求,那就只能自己设计。使用硬件描述语言,当然也可以用原理图的输入方法,可以独立的把它们当成一个工程来设计,并且生成一个模块符号(Symbol),类似于那些LPM功能模块。这里可以理解为,如果我们需求的滤波器,没有现成的合适的,那我们可以通过LC自己来搭建一个滤波器。 5、 将顶层图的各个功能模块连线起来。这个过程类似电路图设计,把各个芯片连起来,组成电路系统。
6、系统的功能原理图至此已经基本出炉了,下一步就是选择芯片字载体,分配引脚,设置编译选项等等。
7、编译。这个过程类似软件开发里德编译,但是实际上这个过程比软件的编译复杂的多,因为它最终要实现硬件里边的物理结构,包含了优化逻辑的组合,综合逻辑以及布线等步骤。
8、编译后会生成2个文件,一个是*.sof文件,一个是*.pof文件,前者可以通过JTAG方式下载到FPGA内部,可以进行调试,但断电后数据丢失;后者通过AS或者PS方式下载到FPGA的配置芯片里边(EEPROM或者FLASH),重新上电后FPGA会通过配置将数据读出。
9、对于复杂的设计,工程编译好了,我们可以通过Quartus软件或者其他仿真软件来对设计进行反复仿真和验证,直到满足要求。(主要是时序仿真)。
第二章 基于Quartus II的实例
一、建立工程
首先,打开Quartus II软件。
接下来,建议一个新工程
第一行,是所建工程的路径,第二工程项目名称,第三项,是填好后,如下图
下边一直点击NEXT,直到出现以下界面
Family里边选择Sratix II,Available devices里边选择EP2S60F672C5(具体内容根据你所使用的芯片所决定),接着点NEXT,不需要做任何修改了,一直点到Finish。到此为止,工程已经建立完成。需要建立一个Block Diagram/Schematic File,点击File->New出现如下图。
点击OK,建立完成,工程中出现一个Block1.bdf文件。
现在点“保存”是不管用的,建议随便放一个器件后点保存文件为bdf文件。方法是在这个bdf文件空白处双击鼠标,或者右键点鼠标,点insert->symbol
这里边的器件很多,可以再里边输入你所需要的器件,也可以直接点分类,根据分类查找你需要的器件。
点击File->New,选择VHDL File(根据你所使用的编程语言)
点击OK后,再下边的界面就可以编写VHDL程序了。
当然可以根据自己掌握的语言种类进行编程。
VHDL语言,注意:保存的文件名字,必须与实体名字一致,否则编译会出错。
设置当前为最高实体。
点击那个紫色的三角,进行编译
下面就是产生模块了。如图点击就可以
生成模块完成后,回到bdf主界面。双击该界面,再Project下拉栏,就会出现刚才所编译文件生成的模块,左键点击就可以将其放入主原理图实体中,并且今后如果重新改变VHDL程序,必须走这个过程,先设置最高实体,然后编译,产生模块,最后要添加这样如下的过程。
放置模块的时候,通过自己的程序编译产生的模块,会在Project目录下,如图所示
特别注意:已经做好的并且放入到原理图的模块程序如果需要改动,改动后也必须先编译,后产生模块,最后按照如下所示进行模块更新。
根据需求进行选择一下
以后每次要用的时候,都可以双击鼠标,进入project里边进行选择,进行使用。
右键点击模块,点Generate-……
引脚也可以自己设置输入输出引脚并且命名。
设置当前实体为最高实体,再次进行编译
编译完成后,要分配引脚,通常分配引脚有两种方式,一种是直接在工程分配,这种方式对于引脚较少比较方便,如下图所示。
选择PIN
双击引脚分配处的to和location,就可以确定应用的FPGA引脚分配情况。
分配好引脚后,点击保存,再看原理图,每个引脚后边都有一个“小尾巴”,表示信号线的实际物理引脚分配情况。
然后再编译。最后在点击TOOL->Programmer,或者直接点击下载图标
就会出现下载对话框
点击Hardware Setup 如果你没插USB-BLASTER,打开后不会有显示,如果插上后,这里就会显示有一个硬件可以选择,右上位置选择下载方式。注意:JTAG模式和AS模式接口是不同的
选择好USB-BLASTER后,点Close,然后点Start
当前选择的是JTAG模式,因此下载程序到RAM,可以看调试结果。 至此,FPGA的原理图制作,代码编写流程及下载流程已经全部完毕。现在以一个简单的分频器来讲一下。
第一件事,如同单片机的最小系统一样,FPGA的系统需要一个时钟源作为支撑,FPGA内部有个PLL(锁相环)资源,这个PLL可以对输入频率进行倍频。因此,几乎在每个系统设计的时候,都需要对这个PLL进行设置。如下所示
选择第一个
点NEXT,往下进行选择IO栏目下的ALTPLL,给这个模块起一个名字叫PLL然后点NEXT
根据提示进行选择,选择好了后,点击进入下一个设置
在这里,把所有的勾全部去掉就可以,然后一直点下一步,一直到下面图示,
每个芯片可以设置输出的频率个数不同,当前我用的ep2s60总共有2个PLL,每个PLL可以设置6个不同的频率输出。现在就可以一直点下一步,直到Finish就可以。然后再Project里边将PLL放置到原理图上。
新建一个test_div的程序,程序代码如下 library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity test_div is port(
clkin:in std_logic; clkout1:out std_logic; clkout2:out std_logic );
end test_div;
architecture fenpin_arc of test_div is
signal count1:integer range 0 to 7; --计数寄存器16分频 signal clkbuff1:std_logic;
signal count2:integer range 0 to 3; --计数寄存器8分频
signal clkbuff2:std_logic;
begin
process(clkin,count1,count2) begin
if rising_edge(clkin) then --计数、分频1
if (count1 >= 7) then count1 <= 0;
clkbuff1 <= not clkbuff1; else
count1 <= count1 + 1; clkout1 <= clkbuff1; end if;
end if;
if rising_edge(clkin) then --计数、分频2
if (count2 >= 3) then count2 <= 0;
clkbuff2 <= not clkbuff2; else
count2 <= count2 + 1; clkout2 <= clkbuff2; end if;
end if;
end process;
end fenpin_arc;
保存程序,设置当前为最高实体,进行编译,编译后产生模块,最终也可以放在原理图上了。用鼠标将所需要连接的线连接起来,然后设置当前为最高实体,进行编译,分配引脚,编译,下载就可以完成了。
同时,除了下载进FPGA中进行调试外,我们还可以提前利用Quartus进行时序仿真。如上边这个程序,生成一个Block放置在原理图上,然后再加上一个PLL,连接起来后,以下图示:
点击Processing->Simulation Debug->Current Vector Inputs
在name处点右键,选择Inset->Inset Node or Bus
点击Node Finder,进入
可以选择引脚,通常我习惯于显示所有引脚,在Filter处选择all,当然也可以选择一些你需要的引脚,其他的引脚不显示,然后点击List,然后再点击加入符号,如图所示
点击OK,一直回到仿真页面,鼠标左键单击输入信号,给输入信号加所需信号,如clkin,是时钟信号,直接点击时钟符号,就可以进行设置
设置好输入后,可以点Edit菜单下的End Time可以选择仿真多长时间。
全部设置好后,点保存,起好名字,然后点Start simulation,便开始进行时序仿真。仿真结束后,可以观察信号时序。
第三章 MATLAB、DSP BUILDER、QUARTUS联合仿真
首先我们了解一个背景,现在在DSP算法软件中最牛的毋庸置疑的就是Matlab了。N多人在用它搭建模型。我们可以把Matlab分为matlab和simulink两部分。Matlab更多的是对数组进行一系列的计算,而这些计算式静态的,纯粹算法上的。而simulink是使用模块化的方式来搭建一个平台,这个模型才是动态的。当我们用matlab做成一个算法的时候,这个算法在实际应用中有可能可以实现,当然也有可能实现不了,更多的是一种理论上的公式。只有当我们用simulink来搭建出一个模型的时候,我们可以知道,它是可以被实现出来的,无论是软件,还是硬件方式。
DSP builder是什么?通过前边的学习,我们知道,FPGA内部就如同一个个小积木。DSP builder就是ALTERA公司工程师,专门用这些小积木已经搭建好了各式各样的小门、小窗、房梁……..而这些一个个做好的小模块,都放到了DSP BUILDER里边。好了,这样,我们就可以在MATLAB的simulink环境下,用DSP BUILDER的内部小模块,开始堆积我们想要的那栋房子。这一下就省去了我们的好多工作,因为现在很多模块资源都是现成的,不需要我们用VHDL或者是Verilog语言去做这些小模块。当在simulink环境下模拟搭建好了后,我们通过DSP工具,就可以直接转换到Quartus II环境下,进行真正的搭建过程了。当然了,这个过程Quartus II可以完全替代我们去完成。
同样,有一些功能模块,是DSP builder库里边所不具备的,这个时候还可以通过使用Quartus II进行语言编程,生成一个功能模块,并且加载到matlab的simulink库里边进行仿真应用。
利用Matlab软件中的Simulink模块进行通信系统的仿真,并通过DSP Builder软件将系统级和RTL级(寄存器传输级)两个设计领域的设计工具连接起来,把Simulink的设计文件(后缀为.mdl文件)转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(后缀为.vhd文件),以及用于控制综合与编译的TCL脚本,之后即可通过FPGA/CPLD开发工具Quartus II来完成相应的处理。
DSP Builder依赖于数学分析工具Matlab/Simulink,以Simulink的Blockset形式出现,可以在Simulink中进行图形化设计和仿真。在安装DSP Builder软件后,Matlab软件的Simulink库中会自动添加如下两个库:Altera DSP Builder Blockset和Altera DSP Builder Advanced Blockset。后续的仿真及编译工作主要基于Altera DSP Builder Blockset库中的各个模块组成的系统。
下面以Matlab R2009b(Matalb 7.9.0)版本为例,与Altera公司Quartus II 9.1/DSP Builder v9.1软件对应使用,并以BFSK(二进制频移键控)的调制系统为例,详细介绍Simulink的使用步骤。
1. 打开Matlab环境
Matlab环境界面如图所示,Matlab的主窗口界面被分割成三个窗口:命令窗口(Command Window)、工作区(Workspace)和命令历史记录(Command History)。在命令窗口中可以键入Matlab命令,同时获得Matlab对命令的响应信息、出错警告提示等。
2. 建立工作库
在建立一个新的设计模型前,最好先建立一个新的文件夹,作为工作目录,并把Matlab当前的work目录切换到新建的文件夹下。可以点击“File”中的“Set Path”选项,添加该工作目录路径,如图所示“F:\\Program Files\\MATLAB\\R2009b\\work”,并将其移到目录顶部“Move to top”然后保存。在下一次打开Matlab时,可以通过改变主界面中的“Current Folder”,选择该目录路径,改变当前Matlab工作目录。
3、打开Simulink库
单击Matlab界面上的快捷键图所示。
(Simulink)可以打开Simulink的库文件,如
上图即为Simulink的库浏览器(Library Browser),在库浏览器的左侧是Simulink Library列表,右侧是选中的Library中的组件、子模块列表。
其中左侧Library列表中的“Simulink”库是Simulink的基本模型库。当安装完DSP Builder v9.1后,在Simulink的库浏览器中可以看到多出的两个库文件:“Altera DSP Builder Advanced Blockset”和“Altera DSP Builder Blockset”。在以下的DSP Builder应用中,主要是使用“Altera DSP Builder Blockset”库中的组件、子模型来完成各项设计,再使用Simulink完成模型的仿真验证。
4. Simulink的模型文件
在打开Simulink库浏览器后,需要新建一个Simulink的模型文件(后缀为mdl),如图,在Simulink的库浏览器中选择“File”菜单,在出现的菜单项中选择“New”,在弹出的子菜单项中选择新建模型“Model”即可,或者通过直接单击界面上的
打开一个空白文件。
5、添加正弦产生模块
如下图,点击Simulink库浏览器左侧的库内树形列表中的“Simulink”条,使其库器件展开,这时会出现一长串树形列表,对基本模型库的子模块(Block)进行了分组。再次点击其中的“Sources”项,选 中库浏览器右侧的“Sine Wave”组件,按住鼠标左键并拖动“Sine Wave”模块到新模型窗口中。
该模块即为BFSK调制的一个输入载波,为了便于确认,双击模块下方的名字“Sine Wave”,将其修改为“fc1”。
双击该模块可以得到“Source Block Parameters: fc1”的对话框,这里包括了该模块功能的介绍,以及各个相关参数的设定。修改参数设置如上图,其中幅度(Amplitude)为2^10-1,表示输入信号位宽(Number of Bits)为11位;频率(Frequency(rad/sec))设定为263.158kHz;初始相位为pi/2表示产生余弦波;由于采样频率为2MHz,采样时间(Sample time)设为1/2000000。设置完成后点击“OK”即可。
可以利用同样的方法放置并设置BFSK调制的另一个输入载波,频率为277.778kHz,其余参数相同即可。
6、添加输入端口模块
如下图,点击Simulink库浏览器左侧的库内树形列表中的“Altera DSP Builder Blockset”条,选择其中的“IO & Bus”项并展开,选中库浏览器右侧的“Input”模块,同样按住鼠标左键将其拖动到模型窗口中。
将该输入端口名称改为“SinIn1”,双击模块,得到如下图的参数设置对话框,设置如下,总线类型(Bus Type)选择有符号整数(Signed Integer),输出位宽(number of bits)设定为11位。
下面把这两个模块连接起来,将鼠标的指针移动到模块的输入或输出端口上,鼠标指针就会变成十字形“+”,这时按住鼠标左键,拖动鼠标就可以连线了。或者先按住“Ctrl”键,然后用鼠标单击第一个模块fc1,再单击第二个模块SinIn1,则会自动产生连线,连线后如图所示。
7、完成BFSK调制模型 按照上述方法,依照BFSK调制系统的原理框图,可以逐步添加各个功能模
块以及输入、输出端口,最终完成的BFSK调制模型文件如下图所示。
上图中用到了波形观察模块示波器“Scope”,该模块属于Simulink库下的Sinks库。双击该模块,打开的是一个示波器窗口,其中只有一个信号的波形观察窗口,若希望可以同时观察多路信号,可以点击Scope模块窗口上侧工具栏的第二个工具按钮“Parameters”,参数设置按钮,打开Scope参数设置对话框。在Scope参数设置对话框中有 “Gerneral”(通用)和“Data history”(数据历史) 两个选项页。在“Gerneral”选项页中将“Number of axes”参数改为2,如图所示。点击“OK”按钮确认后,可以看到Scope窗口增加为两个波形观察窗,每个观察窗都可以分别观察信号波形,而且相对独立。
频谱观察模块“Spectrum Scope”属于“Signal Processing Blockset”下的“Signal Processing Sinks”库,可以用来观察输出BFSK调制信号的频谱波形情况。
8、加入时钟模块
展开“Altera DSP Builder Blockset”库下的“AltLab”,选择“Clock”模块添加到模型文件中,并双击模块,设置参数如下图所示。
9、设计文件存盘
完成系统中各个模块的设置与连接后,在进行仿真验证和编译(Signal Compiler)之前,先对设计进行存盘操作。点击新建模型窗口的“File”菜单,在下拉菜单中选择“Save”项,取名并保存,等同于直接点击窗口界面的
按钮。
在上述例子中,对新建模型取名为“fskmodu”,模型文件为fskmodu.mdl。在保
存完毕后,新建模型窗口的标题栏就会显示模型名称,如下图所示。
注意:对模型文件取名时,尽量用英文字母开头,不使用空格,不用中文,文件名不要过长。
10、Simulink模型仿真 在对模型取名存盘后,就可以对文件进行编译,并把mdl文件转换为VHDL文件。不过现在模型的正确性还是未知的,需要进行仿真验证。Matlab的Simulink环境具有强大的图形化仿真验证功能。用DSP Builder模块设计好一个新的模型后,可以直接在Simulink中进行算法级、系统级仿真验证。
对一个模型文件进行仿真,需要施加合适的激励、一定的仿真步进和仿真周期,并添加合适的观察点和观察方式。在fskmodu模型窗口中,点击“Simulation”菜单,在下拉菜单中选择“Configuration Parameters...”菜单项,将弹出fskmodu模型的仿真参数设置对话框“Configuration Parameters: fskmodu/Configuration (Active)”。
该对话框中的“Solver”选项包括了仿真基本的时间设置、步进间隔、方式设置及输出选项设置。具体各项设置如上图所示,最后,点击“OK”按钮确认。
11、启动仿真
在fskmodu模型窗口中选择“Simulation”菜单,再选“Start”项开始仿真,或者直接点击
按钮开始。
待仿真结束,双击Scope模块,打开示波器观察窗。下图给出了仿真结果,显示的是系统生成的BFSK调制信号的基带波形及时域波形图,在下面的放大波形图中,可以清晰的看到在不同的基带信号值“0”和“1”下,BFSK信号具有不同的频率,此时生成的是相位不连续的BFSK信号。
在Scope观察窗中,可以使用工具栏中的按钮来放大或缩小波形,或者用鼠标左键选择波形并放大,也可以在波形上单击鼠标右键使用“Autoscale”,使波形自动适配波形观察窗。
模块“fsk modu Spectrum”可以得到BFSK调制信号的频谱波形,如图所示。该BFSK信号在频率为270.468kHz附近(263.158kHz及277.778kHz)两处有明显的波峰,表明实现了BFSK调制信号的产生。
12、编译模型文件
在Simulink中完成仿真验证后,就需要把设计转到硬件上加以实现,并获得针对特定FPGA芯片的VHDL代码,这是整个DSP Builder设计流程中最为关键的一步,包括对模型文件的编译,以及RTL的仿真。
首先需要放置Signal Compiler模块,选择 “Altera DSP Builder Blockset”库中“AltLab”项内的“Signal Compiler”模块,将其拖放到fskmodu.mdl文件中,如图。
双击该模块,在下图所示的对话框中可以选择进行编译所使用的器件类型,此例中选择默认的Stratix Family,以及AUTO Device,单击“Compile”即可对完成的fskmodu.mdl模型文件进行编译。
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