電子發燒友App
關鍵詞： FPGA , Quartus , II
按照基于Windows的語言(C、C++、C#)等編程語言的初學入門教程，第一個歷程應該是“Hello World!”的例程。但由于硬件上的驅動難易程度，此例程將在在后續章程中推出。硬件工程師學習開發板的第一個例程：流水燈，一切美好的開始。
本章將會在設計代碼的同時，講解Quartus II 軟件的使用，后續章節中只講軟件的思想，以及解決方案，不再做過多的累贅描述。
一、Step By Step 建立第一個工程
(1)建立第一個工程，File-New-New Quartus II Project，如下圖所示，OK。
(2)Next，如下圖所示，選擇工程目錄(不能有空格，中文路徑)，同時輸入工程名與頂層文件名。
(3)若有現成的代碼，可以直接選擇添加入工程;否則，直接next，進入下一步，如下圖所示：
(4)根據自己的硬件設施，選擇相應的設備目標器件。
(5)Next，Finish。
二、工程代碼設計
1. water_led_design工程文件結構：
如上圖所示，工程分為三個模塊，分別為：
(1)頂層模塊 ： 例化各個模塊，工程的最高級別文件。
(2)分頻模塊 ： 通過分頻得到固定的頻率(10Hz)。
(3)LED顯示模塊： 隨固定頻率，來操作LED燈。
2. 代碼設計
(1)warter_led.v模塊設計
a) New-File，新建verilog文件，保存于新建在工程目錄下的src文件夾中(只是為了工程文件結構組織的清晰，更善于管理)。如下圖所示：
b) 輸入代碼，定義輸入輸出接口，如下所示：
[color=]module water_led
[color=] (
[color=] input clk, //global clock 50MHz
[color=] input rst_n, //global clock reset
[color=] output [5:0] led_data //user led interface
[color=] );
[color=] endmodule
(2)clk_design.v模塊設計
由于系統輸入時鐘是50Mhz，若以50MHz的速度變換LED等，人眼壓根分辨不出來。因此利用分頻原理，來對50MHz進行分頻，而適應人眼。本模塊將50MHz分頻至10Hz，人眼分辨的極限是25Hz，因此10Hz能感覺得到(可以隨機修改)。Led_en的頻率計算公式：clk_led_en = 50_000000/(49_000000+1) = 10Hz,具體代碼如下:
[color=]module clk_design
[color=] (
[color=] input clk,
[color=] input rst_n,
[color=] output led_en
[color=] );
[color=] reg [22:0] cnt; //49_99999,100ms
[color=] parameter LED_CNT = 49_999999;
[color=] always@(posedge clk or negedge rst_n)
[color=] begin
[color=] if(!rst_n)
cnt
else if(cnt
cnt
[color=] else
cnt
[color=] end
[color=] assign led_en = (cnt == 23'd49_99999) ? 1'b1 : 1'b0;
[color=] endmodule
模塊沒有分頻產生10Hz的頻率，而是生成了10Hz的使能時鐘，目的是防止時鐘滿天飛，使得FPGA 內部布局布線紊亂，影響全局功能。雖然如此簡單的工程可以不用考慮，但是“習慣了嚴謹便成為了一種風范”，因此使用使能時鐘，來對具體的時序進行操作。具體使能時鐘、門控時鐘的異同、優劣將會在后續章節中解說。
(3)led_display.v模塊設計
根據輸入的led_en使能信號，來操作led燈的效果，此處采用最簡單的算法——遞增進位。代碼如下所示：
[color=]module led_display
[color=] (
[color=] input clk,
[color=] input rst_n,
[color=] input led_en,
[color=] output reg [5:0] led_data
[color=] );
[color=] always@(posedge clk or negedge rst_n)
[color=] begin
[color=] if(!rst_n)
led_data
[color=] else if(led_en)
led_data
[color=] else
led_data
[color=] end
[color=] endmodule
[color=] (4)從新修改water_led_design頂層文件，添加相關例化模塊。最后結果如下：
[color=] module water_led_design
[color=] (
[color=] input clk, //global clock 50MHz
[color=] input rst_n, //global clock reset
[color=] output [5:0] led_data //user led interface
[color=] );
[color=] //-------------------------
[color=] //generater clock 10Hz
[color=] wire led_en;
[color=] clk_design clk_design_inst
[color=] (
[color=] .clk (clk),
[color=] .rst_n (rst_n),
[color=] .led_en (led_en)
[color=] );
[color=] //-------------------------
[color=] //set the display of led
[color=] led_display led_display_inst
[color=] (
[color=] .clk (clk),
[color=] .rst_n (rst_n),
[color=] .led_en (led_en),
[color=] .led_data (led_data)
[color=] );
[color=] endmodule
3. 代碼編譯
(1)通過Processing-Start Compilation，或者工具欄的圖標如下：
(2)編譯結果如下，可見相關信息：
(3)警告的分析及解決：
a) Warming(4)如上圖所示，具體解釋如下：
i. 沒有電容配置
ii. 沒有把unused的pin設置為三態。在Assignment-Device-Device and Pin Opitions-Unused Pins，設置如下圖所示：
iii. 沒有電容配置
iv. 可以忽略
b) Critical Warming(5)如上圖所示，具體解釋如下：
i. 引腳沒有分配IO
ii. 沒有sdc時序約束文件
iii. 沒有sdc約束文件
iv. 時序沒有達到要求
v. 時序沒有達到要求
出現這些警告的原因是因為Quartus II 10.1以后的版本軟件，不再自帶TimeQuest Timing Analyzer，只有Classic Timing Analyzer，雖然不加sdc時序約束對于一般情況也不一定會有錯，但軟件設計的必然會出現這樣的警告。關于TimingQuest sdc，會在后續章節中闡述，此處不做具體說明。
關于Quartus II 警告信息分析以及零警告的處理，可以右擊警告查看help，altera會告訴您相應的解決方案;此外，Bingo已上傳Chinaaet“Quartus II 警告分析.pdf”，下載地址為：?id=86271
初學折有不到之處可以查閱該pdf，記住，永遠不要輕易忽略警告。
三、Modelsim-Altera仿真
1. 為什么要仿真
首先討論兩個問題：
(1)仿真?是真的嗎?
仿真，只是為了模擬真實現象，測試代碼的行為以及時序的正確性;當然，仿真永遠是模仿的，不可能是絕對準確的，只能在一定程度上模擬真實時序，讓我們的設計變得更可靠。仿真對于電路設計者，只是一個軟件測試的平臺，而不是實際硬件設施的測試結果。
(2)一定要仿真嗎?
未必!如果你有足夠的把握時序的準確性，腦子里能夠完成整個電路的時序邏輯工作流程，仿真就不是那個必須的了;對于已經成型的模塊，保證時序準確的情況下，何必在徒勞的仿真呢?按常理，是現有Quartus II軟件，再有仿真軟件的吧，Testbench只是測試程序，鏈接兩者之間的橋梁。
回想，在n年前的老工程師，用block中用與非門與74系列芯片設計的原理圖，要仿真似乎變得很難?那些老前輩們是通過實物的測試，不斷的修正、改善，最后才得到可靠的電路。
因此，仿真 不是必須的。Bingo就經常不仿真!不是說懶，是因為腦子中的電路時序邏輯，本能性的能夠保證電路的準確性，或者說出了問題能夠自行改正，不會失去了方向。所謂代碼在電腦上，電路在腦子中，每一句行為級語言，都加增添一個電路。
當然，并非每一個人都可以這樣子的。對于初學者而言，仿真是非常重要的一個過程。原因是因為在初學者腦子中，還未呈現固定邏輯實現的時序工作流程，換句話說，經驗不夠豐富吧。
當然在時序很復雜而且龐大時，時序仿真是必須的，因為在這種情況下，大腦的模擬也許無法跟計算機的計算速度比擬了。
前文安裝Quartus II 軟件章節有提到過，Quartus II 9.1以前版本，軟件自帶仿真器，而9.1以后的版本，需要第三方軟件的支持。第三放仿真軟件有很多，而用的最多的，固然是Modelsim-Altera。本章節中Quartuus II 11.0與Modelsim-Altera協同工作，仿真測試本例程的代碼的時序。希望通過節的分析，對時序邏輯上有一個更深刻的認識。
2. 仿真必備的知識
Altera_Modelsim仿真資料：?id=86257
四、配置FPGA
1. 配置綜合
配置引腳簡單的說就是通過軟件的設置，將FPGA內部邏輯信號映射到IO上，具體有下面幾種方法：
(1)在Assignments-Pin Planner中對應IO手動輸入IO引腳
(2)Quartus II Tcl Console 手動輸入，輸入的格式為：“set_location_assignment PIN_28 -to clk”
(3)Tcl Scripts，通過調入tcl 文件來進行映射
(4)在Assignments-Import Assignments，通過調入(2)格式的文件來進行映射。
后面兩種方法具體步驟可見網友“小時不識月”的網頁教程：
配置好查看Quartus II Pin Planner，如下圖所示：
配置完引腳在進行綜合，就少了上述提醒沒有進行引腳配置的2個警告。
注意1：對于Quartus II 中引腳配置的方法，若用最原始的第一種GUI手動輸入配置，需要第一次編譯后讓軟件在Pin Planner生成IO，然后再GUI下手動配置;若用其他三種方法，可以在第一次編譯以前，用命令輸入配置信息，在Quartus II 編譯后，自動識別映射信息，達到同樣的效果。
注意2：對于系統及的FPGA設計，由于工程之大，引腳之多，一般編譯綜合需要耗費很大的時間，因此一般采用不采用第一種方法，而且在第一次編譯以前事先導入映射信息。
2. 目標板下載模式
總而言之，Quartus II 軟件只是個GUI的 用戶終端，用來設計代碼，綜合FPGA邏輯電路，最終的目的，是通過USB Bluster、并口或者其他途徑下載到目標板。具體有以下幾種：
(1)配置FPGA——JTAG Mode
所謂配置FPGA就是將sof文件電路配置FPGA的SRAM(FPGA是基于SRAM格式的)，在不掉電的情況下進行現場配置，驗證。此方式是通過JTAG接口下載的。
(2)燒錄EPCS——Active Serial Programming
所謂燒錄EPCS是生成的代碼信息燒錄到存儲芯片EPCS中，通過配置信號或者重新上電，配置FPGA SRAM;由于EPCS flash結構，因此EPCS中的掉電不丟失(類似于CPLD)。燒錄EPCS有兩種方法，如下
a) 通過ASP接口下載pof文件
b) 通過JTAG接口下載jic/jam文件，jic/jam文件由Quartus II 軟件對sof文件進行轉換后得到。
(3)Passive Serial并口下載
(4)In Socket Programming下載
以上兩種模式，由于應用不是很廣泛，在此不做過多闡述。
綜上說明，在成本敏感，或者電路板空間苛刻的情況下，完全可以舍去ASP接口，而用JTAG來替換。考慮到Altera設計了兩種接口的原因，是給用戶更大的選擇性，特殊場合下，可以只存在ASP接口，只進行一次燒錄，而不用JTAG接口進行測試。
3. JTAG的下載
(1)在工具欄打開或者菜單欄Tool打開Programming
(2)若沒找到Hardware，在Hardware Setting中找到USB Bluster。
(3)選擇JTAG Mode
(4)若沒有自動加載sof文件，點擊Add File導入該工程的sof文件
(5)最后點擊Start，等待下載完畢，如下圖所示：
4. EPCS的下載
(1)在ASP模式下
a) Mode切換為Active Serial Programming模式
b) Change File為pof文件
c) 點擊Start，等待下載完畢。因為Flash速度比SRAM慢，因此下載相對于Flash會較慢。
至此，可見目標板上的流水燈已遞增的形式循環點亮。
(2)在JTAG模式下
a) 用Quartus II 自動生成的sof文件，通過軟件轉換為jic文件，步驟如下：
i. 打開File-Convert Programming File。
ii. 在Programming File Type選擇jic文件。
iii. Configuration device中選擇目標板對應的EPCS型號
iv. File name可默認或任意修改
v. 在File/Data area選中Flash Loader，然后右側點擊Add Device，找到自己型號的FPGA，確認。
vi. 在File/Data area選中SOF Data，然后在右側點擊Add File，加載本工程目錄下的sof文件。
vii. 在File/Data area選中加載的sof文件，然后再右側點擊Properties，選中Compression(壓縮)，確認。(若EPCS容量允許下，可以省略此步驟，來提高下載速度)
viii. 點擊Generate，生成jic文件，最終如下圖所示，然后Close。
b) 打開Programming，選擇JTAG Mode。
c) 選擇前面生成的jic文件，選中jic文件后面的Program/Configure
d) 點擊Start，等待下載完成，如下圖所示：
至此，可見目標板上的流水燈已遞增的形式循環點亮。
5. 編程/配置失敗原因
(1)USB下載器沒有連接好或USB線太長(沒插上，或者接口插錯)
(2)設備沒上電。
(3)FPGA Device型號選擇錯誤
(4)EPCS型號選擇錯誤
(5)布局布線不佳，導致下載時序錯誤
(6)FPGA芯片已損壞
(7)EPCS芯片已損壞
(8)USB Bluster已損壞
工商網監
評論