FPGA入门及Quartus II使用教程(内部资料)

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 isport(clkin:in std_logic;clkout1:out std_logic;clkout2:out std_logic);end test_div;architecture fenpin_arc of test_div issignal 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;beginprocess(clkin,count1,count2)beginif rising_edge(clkin) then --计数、分频1if (count1 >= 7) thencount1 <= 0;clkbuff1 <= not clkbuff1;elsecount1 <= count1 + 1;clkout1 <= clkbuff1;end if;end if;if rising_edge(clkin) then --计数、分频2if (count2 >= 3) thencount2 <= 0;clkbuff2 <= not clkbuff2;elsecount2 <= 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。