FPGA入门及Quartus-II使用教程(内部资料).doc

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(Simulink)可以打开Simulink的库文件，如图所示。

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。

编译没有错误，成功完成后，点击“OK”即可，然后再次保存fskmodu.mdl模型文件。

13、运行RTL仿真
这一步骤是将Simulink模型文件转化为VHDL语言，并可以利用ModelSim软件进行仿真。
首先添加“TestBench”模块，它也属于“Altera DSP Builder Blockset”库中的“AltLab”项，选择“TestBench”模块并将其拖拽到模型文件中，如图。

双击该模块，可以得到如下对话框“DSPBuilder - Testbench Generator – fskmodu”。在“Enable Test Bench generation”前面打勾。

然后选择“Advanced”选项页，单击“Generate HDL”可以生成VHDL文件，如下图所示。“Run Simulink”相当于针对Simulink文件的仿真，和前面进行的Simulink仿真相同。如果已安装了ModelSim软件，可以点击“Run ModelSim”，可将该设计模型写入ModelSim，然后利用ModelSim进行时序仿真，在ModelSim中的仿真步骤可以不进行，这并不影响模型向VHDL语言的转化。

最后点击“OK”完成Simulink模型文件向VHDL语言的转化过程。
到此已经全部完成Simulink以及DSP Builder的使用部分，下面需要进行的是将该DSP Builder设计文件添加到Quartus II的工程中。

14、Simulink到Quartus II的转换
首先建立一个新Project，然后建立一个Block Diagram/Schematic File，便于生成所需要的下载调试文件。名字可以随意起。在此工程中，通过打开Tcl Console窗口，输入source D:/…/…/…/filename_add.tcl，按下回车，例如# source D:/matlab/work/mysinout_add.tcl(一定要注意是“/”，而不是“\”)将.mdl文件所编译生成的脚本tcl打开。

打开后，点击File，并且右键点击.mdl文件，选择Set as Top-Level Entity，然后进行编译。

编译完成后，再点击Hierarchy，双击当前工程中的实体文件

点击生成模块，然后再将Block文件设置为当前最高实体，就可以将刚才生成的模块放入到Block当中，进行使用了。

当然，通常情况下，这个时候通过DSP builder生成的这个Block模块不能直接应用的，还需要使用硬件编程语言编程模块外围的控制信号，生成模块后进
行连接，具体方法，可以参照第一章的内容。

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