第二章 FPGA基本教程
第一節(jié) FPGA的基本開發(fā)流程

PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的簡(jiǎn)稱，FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programable Gate Array）的簡(jiǎn)稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時(shí)可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。

PLD是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用PLD來實(shí)現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了EDA軟件和硬件描述語言（HDL）的進(jìn)步。

如何使用PLD呢？其實(shí)PLD的使用很簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)PLD比學(xué)習(xí)單片機(jī)要簡(jiǎn)單的多，有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會(huì)使用計(jì)算機(jī)，就可以進(jìn)行PLD的開發(fā)?！　?

開發(fā)PLD需要了解兩個(gè)部分：1.PLD開發(fā)軟件 2.PLD本身

由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)完善，用戶甚至可以不用詳細(xì)了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以用自己熟悉的方法：如原理圖輸入或HDL語言來完成相當(dāng)優(yōu)秀的PLD設(shè)計(jì)。所以對(duì)初學(xué)者，首先應(yīng)了解PLD開發(fā)軟件和開發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將有助于提高我們?cè)O(shè)計(jì)的效率和可靠性。

下面我們以基于Altera公司的QuantusII軟件來簡(jiǎn)單說明一下FPGA的開發(fā)流程。

下圖是一個(gè)典型的基于QuantusII的FPGA開發(fā)流程。

本文引用地址：http://m.ptau.cn/article/201706/349480.htm（1）建立工程是每個(gè)開發(fā)過程的開始，QuantusII（以下簡(jiǎn)稱Q2）以工程為單元對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行管理。

（2）建立頂層圖。可以這樣理解，頂層圖是一個(gè)容器，將整個(gè)工程的各個(gè)模塊包容在里面，編譯的時(shí)候就將這些模塊整合在一起。也可以理解為它是一個(gè)大元件，包含各個(gè)模塊，編譯的時(shí)候就是生成一個(gè)這樣的大元件。

（3）采用ALTERA公司提供的LPM功能模塊。Q2軟件環(huán)境里包含了大量的常用功能模塊，例如計(jì)數(shù)器、累加器、比較器、譯碼器等等；如果不懂得在工程中采用這些現(xiàn)有的功能模塊真是太浪費(fèi)了。以本人的經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)設(shè)計(jì)中一般只有極少部分的模塊需要自己從零設(shè)計(jì)。

（4）自己建立功能模塊。當(dāng)然，有些設(shè)計(jì)中現(xiàn)有的模塊功能不能滿足具體設(shè)計(jì)的要求，那就只能自己設(shè)計(jì)啦?？梢杂糜布枋稣Z言也可以用原理圖的輸入方法。可以把它們獨(dú)立地當(dāng)作一個(gè)工程來設(shè)計(jì)，并生成模塊符號(hào)（Symbol），然后在頂層圖中使用這個(gè)模塊的符號(hào)，并將源文件（實(shí)現(xiàn)該模塊的原理圖或HDL文件）拷到頂層圖所在的工程目錄下。這個(gè)過程好比你要做一個(gè)電路，現(xiàn)在市面上沒有你想要的某個(gè)芯片，你就只能自己做一塊這樣的一塊芯片，然后添加到你的電路板上。

（5）將頂層圖的各個(gè)功能模塊用連線連起來。這個(gè)過程類似電路圖設(shè)計(jì)，把各個(gè)芯片連接起來，組成電路系統(tǒng)。

（6）系統(tǒng)的功能原理圖至此已經(jīng)基本出爐了，下一步要為該設(shè)計(jì)選擇芯片載體，才能真正在物理上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。這一步的主要工作是：（1）選擇芯片型號(hào)；（2）為頂層圖的各個(gè)輸入輸出信號(hào)分配芯片的管腳；（3）設(shè)置編譯選項(xiàng)，目的是讓編譯器知道更多的信息。

（7）編譯。這個(gè)過程類似軟件開發(fā)里的編譯，但實(shí)際上這個(gè)過程比軟件的編譯要復(fù)雜得多，因?yàn)樗吘棺罱K要實(shí)現(xiàn)硬件里的物理結(jié)構(gòu)，包含了優(yōu)化邏輯的組合、綜合邏輯以及布線等步驟。在類似Q2這樣的集成環(huán)境里面，這些過程都可以一氣呵成，集成環(huán)境幫你自動(dòng)完成了幾個(gè)步驟的工作。當(dāng)然，你也可以用其它工具來實(shí)現(xiàn)各個(gè)步驟的工作，這些內(nèi)容超出了本教程陳述的范圍。

（8）編譯后會(huì)生成*.sof或*.pof文件，前者可以通過JTAG下載到FPGA內(nèi)部，設(shè)計(jì)無誤的話即能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，但斷電后FPGA里的這些信息會(huì)丟失；后者可以下載到FPGA的配置芯片（EEPROM或FLASH芯片），掉電后這些配置信息不會(huì)丟失，重新上電以后通過該配置芯片對(duì)FPGA的內(nèi)部RAM進(jìn)行配置。

（9）對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，工程編譯了以后可以采用Q2的仿真功能或其它仿真軟件（如ModelSim）對(duì)設(shè)計(jì)反復(fù)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，直到滿足要求。

第二節(jié) 基于QuartusII的實(shí)例


實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)板上的KEY1按鈕控制FPGA核心板上的第一個(gè)LED燈。

本實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，使用本站FPGA開發(fā)板或者CPLD開發(fā)板以及其它FPGA開發(fā)板都可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

目的：通過該實(shí)例學(xué)習(xí)，可以了解FPGA的基本開發(fā)流程，熟識(shí)quartusII軟件基本功能的使用。

原理：利用一個(gè)常開按鈕（實(shí)驗(yàn)板上的KEY1）作為輸入（常開時(shí)輸入1，閉合時(shí)輸入0），經(jīng)過一個(gè)反相器后輸出到核心板的第一個(gè)LED。KEY1常開時(shí)，LED亮，按下（閉合）實(shí)驗(yàn)板上的KEY1，該LED熄滅。

1． 建立工程

運(yùn)行QuatrusII軟件（以下簡(jiǎn)稱Q2），建立工程，F(xiàn)ileàNew Project Wizad如

點(diǎn)擊New Project Wizard 后彈出指定工程名的對(duì)話框，在Diectory, Name, Top-Level Entity中如下圖填寫：

按Next按鈕，出現(xiàn)添加工程文件的對(duì)話框：

在這里我們先不用管它，直接按Next進(jìn)行下一步，選擇FPGA器件的型號(hào)：

在Family下拉筐中，我們選擇Cyclone系列FPGA，然后在“Available devices：”中根據(jù)核心板的FPGA型號(hào)選擇FPGA型號(hào)，注意在Filters一欄選上“Show Advanced Devices”以顯示所有的器件型號(hào)。執(zhí)行下一步出現(xiàn)對(duì)話框：

這里是選擇其它EDA工具的對(duì)話框，我們用Q2的集成環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，因此這里不作任何改動(dòng)。按Next進(jìn)入工程的信息總概對(duì)話框：

按Finish按鈕即建立一個(gè)空項(xiàng)目。

2． 建立頂層圖

執(zhí)行FileàNew，彈出新建文件對(duì)話框：

選擇“Block Diagram Schematic File”按OK即建立一個(gè)空的頂層圖，缺省名為“Block1.bdf”，我們把它另存為（FileàSave as），接受默認(rèn)的文件名，并將“Add file to current project”選項(xiàng)選上，以使該文件添加到工程中去。如圖所示：

3． 添加邏輯元件（Symbol）

雙擊頂層圖圖紙的空白處，彈出添加元件的對(duì)話筐：

在Libraries里尋找所需要的邏輯元件，如果知道邏輯元件的名稱的話，也可以直接在Name一欄敲入名字，右邊的預(yù)覽圖即可顯示元件的外觀，按OK后鼠標(biāo)旁邊即拖著一個(gè)元件符號(hào)，在圖紙上點(diǎn)擊左鍵，元件即安放在圖紙上。

在圖紙上分別添加非門（not）、輸入（input）、輸出（output）三個(gè)symbol，如圖所示：

連線，將鼠標(biāo)移到symbol連線端口的那里，鼠標(biāo)變成圖示模樣： ，按下左鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)到另一個(gè)symbol的連線端。本例中，這三個(gè)symbol的連線如下圖所示：

分別雙擊input和output symbol的名字“pin_name”、“pin_name1”，將它們的名字改為Key1，LED1：

4． 分配管腳

為芯片分配管腳可以用QuartusII軟件里的“AssignmentsàPins”菜單，也可以用tcl腳本文件。用Tcl文件進(jìn)行配置可重用性好，易于管理，因此本文介紹用tcl的方法。對(duì)于另一種方法，可以參考QuartusII軟件的幫助文檔。

在工程目錄下建立一個(gè)name為Setup.tcl的file。FileàNew，選擇other files頁面：

有關(guān)tcl文件的更詳盡內(nèi)容可參考QuartusII的幫助文檔，對(duì)于我們所選用的FPGA開發(fā)板SOPC開發(fā)板來說，由于不同型號(hào)的FPGA核心板的管腳與實(shí)驗(yàn)板上的引腳也不同，因此不同的核心板對(duì)應(yīng)的.tcl文件也不同（關(guān)于核心板引腳與實(shí)驗(yàn)板引腳對(duì)應(yīng)的詳細(xì)情況請(qǐng)參照“CT-SOPCx學(xué)習(xí)套件用戶手冊(cè)”或相關(guān)電路原理圖）。在實(shí)際項(xiàng)目中，該文件也可以根據(jù)具體管腳分配要求來改寫。

對(duì)應(yīng)于EP1C6　FPGA開發(fā)板，EP1C12　FPGA開發(fā)板：

#Setup.tcl

# Setup pin setting

set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS AS INPUT TRI-STATED

set_global_assignment -name ENABLE_INIT_DONE_OUTPUT OFF

set_location_assignment PIN_1 -to led1

set_location_assignment PIN_122 -to key1

保存到工程目錄下，并注意在保存對(duì)話框選上“Add file to current project”選項(xiàng)。然后打開Tools -> Tcl Scripts,選中剛才編輯的Script文件：Setup,并點(diǎn)擊Run，如下圖：

注意：建立工程時(shí)如果路徑名有中文字符或者路徑名有空格字符，則tcl Script文件將運(yùn)行不了。比如，本例建立的工程“FPGA_led_test”目錄是: C:alteraquartus51myq2projectsFPGA_led_test

如果是：

C:alteraquartus51my q2projectsFPGA_led_test

在該目錄下運(yùn)行工程里的setup.tcl就會(huì)出錯(cuò)。

如果使用Tools -> Tcl Scripts　后沒有彈出“tcl Script”對(duì)話框可以試一下關(guān)了QII，再重新打開。使用TCL文件分配管腳是很方便的，用戶可以直接從相關(guān)例子工程中復(fù)制需要管腳分配表到自己的工程中，省時(shí)又方便。