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概述

科學(xué)合理的 FPGA 設(shè)計(jì)流程是為了更加直觀地展示一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程，本節(jié)以一個(gè)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)——二選一選擇器，來介紹完整的 FPGA 設(shè)計(jì)開發(fā)流程。

良好的文件夾設(shè)置以及工程管理是學(xué)好 FPGA 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)之初就應(yīng)建立良好的習(xí)慣。因此首先在新建的工程文件夾下面，分別建立如下圖所示的子文件夾。

各級(jí)目錄作用釋義如下：

• prj 為工程文件存放目錄
  • prj 文件夾下還建立了子文件夾 ip，用于存放 Quartus Prime 中生成的 IP 核文件
• rtl 為 verilog 可綜合代碼存放目錄
• testbench 為測(cè)試文件存放目錄
• img 為設(shè)計(jì)相關(guān)圖片存放目錄
• doc 為設(shè)計(jì)相關(guān)文檔存放目錄

一、建立工程

每個(gè)開發(fā)過程開始時(shí)都應(yīng)建立一個(gè) Quartus Prime 工程， Quartus II 以工程的方式對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行管理， Quartus II 工程包括創(chuàng)建 FPGA 配置文件需要的所有設(shè)置和設(shè)計(jì)文件。

打開安裝好的 Quartus Prime 17.1 軟件，軟件啟動(dòng)界面及啟動(dòng)后的主界面如下圖所示：

STEP #1

第一步， 單擊 New Project Wizard 來啟動(dòng)一個(gè)工程向?qū)А?會(huì)顯示如下圖所示的工程向?qū)Ы榻B，此處直接單擊 Next 即可。

STEP #2

第二步，選擇新建工程所在路徑、設(shè)置工程命名以及「頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名稱」。在輸入頂層設(shè)計(jì)實(shí)體時(shí)默認(rèn)與工程名稱一致，此處可根據(jù)具體情況來自行修改，這里我就直接使用默認(rèn)設(shè)置了，如下圖所示。

選擇工程類型時(shí)可以選擇一個(gè)全空的工程，也可以基于現(xiàn)有的工程模版來實(shí)現(xiàn)。此處選擇新建一個(gè)空的工程，如下圖所示。

STEP #3

第三步，添加已有設(shè)計(jì)文件。如沒有， 可直接點(diǎn)擊 Next，本次單擊 Next， 如下圖所示。

STEP #4

第四步，選擇器件。在這里選擇 Cyclone IV E 系列的 EP4CE10F17C8 ，如下圖所示。 這里可在右面紅色框內(nèi)可通過添加限定條件來減少需要翻看器件的目錄。

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小梅哥的AC501使用的是：Cyclone V 系列的 5CSEBA2U19I7

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STEP #5

第五步， EDA 工具的選擇。從上至下依次是綜合工具、仿真工具以及板級(jí)工具， 可根據(jù)實(shí)際情況自行選擇。在這里根據(jù)自己安裝情況將仿真工具設(shè)置為 Modelsim-Altera，語言選擇 Verilog HDL，其他選項(xiàng)可暫時(shí)不做處理， 如下圖所示。

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若「后期需要設(shè)置或更改 EDA 工具相關(guān)路徑時(shí)」， 依次點(diǎn)擊[Tools] -> [Options] -> [General] -> [EDA Tool Options] -> ModelSim-Altera

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STEP #6

第六步，出現(xiàn)設(shè)置信息概覽頁面，直接單擊 Finish 完成工程的建立。

二、設(shè)計(jì)輸入

工程建立完成后，需要為工程添加新的設(shè)計(jì)文件，單擊 [File] -> [New] -> Verilog HDL File，或者工具欄中的 New，彈出如下圖所示的選擇框，此處選擇 Design Files 中的 Verilog HDL File，然后點(diǎn)擊OK。

新的文件建立完成后，輸入下述二選一多路器代碼，并以 led.v 命名保存到工程對(duì)應(yīng)的 rtl 文件夾下。

module led(a,b,key_in,led_out); input a;//輸入端口 A input b;//輸入端口 B input key_in; //按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)輸入通道的選擇 output led_out; //led 控制端口 默認(rèn)是wire類型 //當(dāng) key_in == 0 ： led_out = a assign led_out = (key_in == 0)? a : b;endmodule

簡單解釋代碼，當(dāng) key_in 為低時(shí)，輸出 led_out 和 a 相同，否之 led_out 和 b 相同。

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默認(rèn)勾選Add file to current project

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三、分析和綜合

單擊工具欄中的 Start Analysis & Synthesis 來進(jìn)行分析和綜合， 如下圖所示。如在設(shè)計(jì)過程有錯(cuò)誤的地方，在分析和綜合后會(huì)提示 Error 或者 Warning，需針對(duì)不同情況進(jìn)行修改。

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常見的問題以及解決方式，可參見 www.corecourse.cn 網(wǎng)站上相關(guān)文章針對(duì)性解決。

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Quartus的右下角會(huì)顯示進(jìn)度和所用時(shí)間，如下圖所示。

分析和綜合沒有問題后，依次點(diǎn)擊[Tools] -> [Netlist Viewers] -> RTL Viewer，可以看到如下圖所示的硬件邏輯電路，即一個(gè)二選一選擇器，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

四、功能仿真

STEP #1 編寫測(cè)試激勵(lì)文件

為了驗(yàn)證以上邏輯設(shè)計(jì)是否成功， 「在直接下載到開發(fā)板觀察現(xiàn)象之前需要進(jìn)行功能仿真（又稱為行為級(jí)仿真或者前仿真）」，功能仿真首先需要編寫激勵(lì)文件，此處再新建一個(gè) led_tb.v 文件并輸入如下代碼，保存到工程對(duì)應(yīng)的 testbench 文件夾下， 并再次進(jìn)行「分析和綜合」查看是否存在語法設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

`timescale 1ns/1psmodule led_tb; //激勵(lì)信號(hào)定義，對(duì)應(yīng)連接到待測(cè)試模塊的輸入端口 reg signal_a; reg signal_b; reg signal_c;  //待檢測(cè)信號(hào)定義，對(duì)應(yīng)連接到待測(cè)試模塊的輸出端口 wire led;  //例化待測(cè)試模塊 led led0(  .a(signal_a),  .b(signal_b),  .key_in(signal_c),  .led_out(led) );  //產(chǎn)生激勵(lì) initial begin  signal_a = 0;signal_b = 0;signal_c = 0;  #100;//延時(shí) 100ns  signal_a = 0;signal_b = 0;signal_c = 1;  #100;  signal_a = 0;signal_b = 1;signal_c = 0;  #100;  signal_a = 0;signal_b = 1;signal_c = 1;  #100;  signal_a = 1;signal_b = 0;signal_c = 0;  #100;  signal_a = 1;signal_b = 0;signal_c = 1;  #100;  signal_a = 1;signal_b = 1;signal_c = 0;  #100;  signal_a = 1;signal_b = 1;signal_c = 1;  #200;  $stop; endendmodule

簡單解釋下程序，timescale 指定程序的延時(shí)單位和精度。#200 的意思就是延時(shí)200ns，#200.123的意思就是延時(shí)200.123ns，即演示精度最多為ps級(jí)別，200123ps。提醒一點(diǎn)，需要注意下例化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

STEP #2 設(shè)置仿真腳本

單擊標(biāo)題欄的 [Assignments] -> [Settings] -> Simulation，「查看仿真工具以及語言是否與之前的設(shè)置一致」， 否則根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行相應(yīng)的修改，如下圖所示。

選中上述界面下方的 Compile test bench 選項(xiàng)，然后單擊其后的 Test Benches，可以看到如下圖所示界面。

點(diǎn)擊 New， 彈出如下圖所示的 Test Bench 設(shè)置文件對(duì)話框，在 Test bench name 中填寫對(duì)應(yīng)的激勵(lì)名稱led_tb（Top level module in test bench會(huì)自動(dòng)設(shè)置與其一樣），接著找到已經(jīng)編寫好的激勵(lì)文件，單擊 Add，最后點(diǎn)擊 OK 后回到主界面。

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手動(dòng)設(shè)置仿真時(shí)間為10us，方式如下圖所示：

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STEP #3 啟動(dòng)仿真

單擊 [Tools] -> [Run Simulation Tool] -> RTL Simulation 來進(jìn)行「前仿真」也就是常說的「功能仿真」，如下圖所示。

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[Tools] -> [Options] -> EDA ToolOptions 可以設(shè)置對(duì)應(yīng)的仿真軟件的路徑

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STEP #4 仿真結(jié)果分析

至此， 即可在仿真軟件 modelsim 中看到如下圖所示的波形文件，可以看出符合設(shè)計(jì)預(yù)期， 當(dāng) key_in 等于 0 時(shí) led_out 等于 a，當(dāng) key_in 等于 1 時(shí) led_out 等于 b，即功能仿真通過。

五、綜合與布局布線

點(diǎn)擊 Quartus Prime 主界面的 Start Compilation，進(jìn)行綜合&布局布線， 如下圖所示。布局布線過程中如遇出錯(cuò)， 應(yīng)根據(jù)編譯錯(cuò)誤信息具體修改。

六、時(shí)序仿真

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時(shí)序仿真又稱為后仿真，后仿真之前需要把已打開的Modelsim關(guān)閉！

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點(diǎn)擊 [Tools] -> [Run Simulation Tool] -> Gate Leval Simulation 或者在工具欄點(diǎn)擊 Gate LevalSimulation 進(jìn)行后仿真， 也就是門級(jí)仿真，如下圖所示。

彈出選擇時(shí)序模型對(duì)話框，可針對(duì)相應(yīng)情況具體選擇。此時(shí)可選擇第一個(gè)時(shí)序模型： 慢速工作、環(huán)境溫度為 85℃、 內(nèi)核供電 1.2V 的情況進(jìn)行仿真， 如下圖所示。

時(shí)序仿真完成后， 可以在 Modelsim 的波形窗口中看到圖 2.2-23 的時(shí)序仿真波形。從波形中發(fā)現(xiàn)與之前的功能仿真相比有了一些差異，如： 「存在不希望存在的脈沖、 且在 200ns 時(shí)，led 相對(duì)輸入信號(hào)有一定時(shí)間的邏輯延時(shí)」。

七、IO 分配以及生成配置文件

IO 分配其方法不唯一，常用的有三種。 在標(biāo)題欄中 Assignments—Pin Planner 或者直接單擊工具欄的 Pin Planner 進(jìn)行 IO 分配， 如下所示。同時(shí)也可通過編寫 Tcl 文件的方式來實(shí)現(xiàn)引腳分配，此處需針對(duì)不同板卡進(jìn)行不同的設(shè)置。

以芯路恒 AC620 開發(fā)板為例， 最終的引腳分配如下圖所示：

此處需注意， 在分配好引腳后，仍需再進(jìn)行一次「全編譯才能使引腳分配生效」。

八、配置 FPGA 下載

單擊工具欄中的 Programmer， 如下圖所示，彈出以下對(duì)話框。確認(rèn)連接好下載器并在 Hardware Setup 中選中 USB-Blaster 以及被下載的.sof 文件后， 單擊 Start 即可將設(shè)計(jì)好的邏輯電路下載到開發(fā)板中。

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sof文件是下載到FPGA，掉電即丟失；jic文件是固化到FLASH中，掉電仍存在！

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通過按鍵以及兩根杜邦線控制 P2 插接件下方的 GPIO0 (R1)以及 GPIO1(P2)接入不同的電平值， 可以觀測(cè)到 led 燈(LED0)具有不同的亮滅效果。

九、固化程序到FLASH中

9.1、FPGA 固件存儲(chǔ)方案介紹

Intel 或 Xilinx 的 FPGA 芯片，使用的是「基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的查找表」，而 「SRAM 的一大特性就是掉電數(shù)據(jù)會(huì)丟失」，當(dāng)使用 JTAG 將 SRAM 配置文件（.sof）配置到 FPGA 芯片中后，這些數(shù)據(jù)是「直接存儲(chǔ)」在 SRAM 結(jié)構(gòu)的「查找表」中的，因此，一旦芯片掉電，則 SRAM 中的數(shù)據(jù)將丟失，再次上電后， SRAM 中將不再有有效的數(shù)據(jù)。 而「普通的 MCU 內(nèi)部集成了片上程序存儲(chǔ)器 ROM，即使掉電后也能保存程序」。 這也就是常見的，使用 JTAG 下載 SOF 固件到FPGA 中后，板子重新上電，則之前下載的固件又不在了的原因。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成并驗(yàn)證結(jié)束后， 準(zhǔn)備量產(chǎn)時(shí)，希望 FPGA 能夠永久保持電路固件，即讓FPGA 上電后其查找表中就被寫入有效的數(shù)據(jù)。但是又不能總是每次系統(tǒng)上電后就用 JTAG去下載一次程序固件。因此， FPGA 支持另外一種配置方式：「主動(dòng)串行配置」（AS）。

所謂主動(dòng)串行配置，就是在 FPGA 芯片外部放置一片「能夠掉電數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)器」，例如最常見的 EPCS、 QFLASH、并口 FLASH，來存儲(chǔ)設(shè)計(jì)好的電路固件。而 FPGA 芯片內(nèi)部，則設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的硬件電路，在芯片剛上電時(shí)就主動(dòng)去讀取存儲(chǔ)器中的固件，并配置到FPGA 芯片的每一個(gè) SRAM 中去。通過這樣一種方式，可在不改變 FPGA 芯片 SRAM 工藝的查找表結(jié)構(gòu)前提下， 使得芯片每次上電后，都能獲得有效的配置數(shù)據(jù)。外部存儲(chǔ)電路配置信息的芯片稱之為「配置芯片」。

早前， 原 Altera 公司規(guī)定只能使用其自己發(fā)售的 EPCS 芯片作為外部配置器件，該 「EPCS 芯片實(shí)質(zhì)就是一個(gè) SPI 接口的串行 FLASH 芯片」， 只不過是經(jīng)過了 Altera 的嚴(yán)格測(cè)試，性能優(yōu)異。而近些年，隨著芯片生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，很多其他廠家生產(chǎn)的 SPI 接口的 FLASH 芯片也能夠達(dá)到 EPCS 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此 Altera 就放開了該限制，并指出可以使用其他芯片廠家生產(chǎn)的 SPI 接口的 FLASH 芯片代替 EPCS。在芯路恒的 AC620上就使用了一片「華邦公司生產(chǎn)的 16Mbit 的串行 FLASH 芯片 W25Q16 來作為配置芯片」。該芯片性能優(yōu)異，性價(jià)比較高，完全能夠達(dá)到 EPCS 的性能標(biāo)準(zhǔn)。

9.2、Cyclone IV E FPGA 固件燒寫方案

當(dāng)需要將設(shè)計(jì)好的配置固件固化到該器件中時(shí)，有兩種方式。

• 第一種方式，也就是傳統(tǒng)的方式，是使用「專用 AS 接口」（與 JTAG 10 針接口獨(dú)立）來直接燒寫該配置芯片，該種方式需要在電路板上設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的 AS 接口，占用 PCB 板面積較大，使用起來不方便。
• 第二種方式，也是現(xiàn)在流行的方式則是「通過 JTAG 接口」，經(jīng) FPGA 芯片間接燒寫配置芯片，其電路如下圖所示。 AC620 開發(fā)板沒有設(shè)計(jì)獨(dú)立的 AS 接口，因此只支持第二種燒寫方式。

9.3、燒寫文件 JIC 的產(chǎn)生

STEP #1

打開希望固化的 FPGA 設(shè)計(jì)工程， 此處以本節(jié)的工程為例。

STEP #2

在 Quartus Prime 軟件中點(diǎn)擊 File—>Convert Programming Files，如下圖所示：

STEP #3

在彈出的窗口中， Programming file type 選擇 JTAG Indirect Configuration File(.jic)， Mode選擇 Active Serial， Configuration device 選擇 EPCS16， File name 默認(rèn)是 output_file.jic，這里，我們養(yǎng)成良好的習(xí)慣，將其改成工程名字： led_test.jic， 如圖 2.3-3 所示。

STEP #4

在 Input files to convert 一欄中，點(diǎn)擊 Flash Loader 一項(xiàng)，在右側(cè)點(diǎn)擊 Add Device 選項(xiàng)，如下圖所示：

STEP #5

在上一步彈出的選項(xiàng)卡中，選擇 Cyclone IV E 下的 EP4CE10（AC620 開發(fā)板上的芯片為 EP4CE10F17C8，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇），然后點(diǎn)擊 OK，如下圖所示：

STEP #6

點(diǎn)擊 OK 后會(huì)回到先前的配置頁面，此時(shí)鼠標(biāo)再次點(diǎn)擊 SOF Data，再點(diǎn)擊右側(cè)的 AddFile，如下圖所示：

STEP #7

在彈出的窗口中，在工程生成的output files文件夾下找到“key_filter.sof”文件，點(diǎn)擊Open，即可添加進(jìn)來，如下圖所示：

STEP #8

點(diǎn)擊 Open 后，回到配置頁面，點(diǎn)擊 Generate 按鈕，如下圖所示：

STEP #9

點(diǎn)擊 Generate 按鈕后，軟件開始轉(zhuǎn)換文件，轉(zhuǎn)換成功后彈出成功提示窗口，如下圖所示：

STEP #10

點(diǎn)擊 OK 即可，然后 close 窗口。

STEP #11

打開 Quartus Pime 中的下載工具 Programmer，「將原有的 sof 文件移除」， 點(diǎn)擊 Add Files重新添加 Output Files 文件夾下的 led_test.jic 文件進(jìn)來，勾選 Programming/Configuration，如下圖所示：

STEP #12

設(shè)置完成后，點(diǎn)擊 Start（確保此時(shí)下載器與開發(fā)板已經(jīng)正確連接），則軟件開始燒錄固件，整個(gè)燒錄時(shí)間大約花費(fèi) 20 秒鐘左右。

燒錄完成后，此時(shí)固件已經(jīng)保存在了配置芯片中，「但是此刻 FPGA 還不能運(yùn)行該固件，因?yàn)楫?dāng)前的固件是存儲(chǔ)在配置芯片中的，并沒有被配置到 FPGA 中，因此需要讓 FPGA 主動(dòng)執(zhí)行一次從配置芯片中配置固件的過程」，方法很簡單， 「只需開發(fā)板斷電后重新上電即可」。

此時(shí)， 使用杜邦線分別接觸不同的電平值，就可以看到 LED 的狀態(tài)發(fā)生變化。斷電再上電，固件依舊保持，整個(gè)程序固化工作完成。