第2章Altera Quartus II軟件開發(fā)流程

1、第2章 Altera Quartus II軟件開發(fā)流程 Altera是世界上最大的可編程邏輯器件供應商之一。為了方便、高效地開發(fā)該公司生產(chǎn)的FPGA/CPLD，Altera為設計者提供了一套集成開發(fā)軟件。最初提供的是MAX+plus II軟件，隨著FPGA/CPLD的更新?lián)Q代。在21世初推出新一代FPGA/CPLD集成開發(fā)軟件Quartus，是MAX+plus II的更新?lián)Q代產(chǎn)品。2.1 Quartus II綜述 Quartus II軟件是Altera的集成綜合開發(fā)工具，它集成了Altera 的FPGA/CPLD開發(fā)中各個階段的所有工具，并為第三方軟件提供了無縫接口。該工具支持邏輯門數(shù)在百萬門

2、級以上的邏輯器件的開發(fā)，還支持與結構無關的設計。它是一款容易使用、人機界面友好的開發(fā)軟件。2.1.1 Quartus II軟件的特點Altera Quartus II設計軟件提供完整的多平臺設計環(huán)境，含有FPGA/CPLD 設計所有階段的解決方案。具有非常多的優(yōu)點：能夠直接滿足特定設計需要，為可編程芯片系統(tǒng)（SOPC）提供全面的設計環(huán)境；也為DSP Builder軟件提供了集成綜合環(huán)境；支持基于VHDL、Verilog HDL和AHDL的設計；支持原理圖設計方式。支持第三方的綜合、仿真工具。如支持綜合工具Leonardo Sspectrum、Synplify Pro等，支持仿真工具ModelS

3、im。支持第三方的EDIF文件。支持與結構無關的設計、提供強大的邏輯綜合與優(yōu)化功能。Quartus II支持的器件包括：Stratix系列、Stratix II系列、Stratix III系列、Cyclone系列、Cyclone II系列、Cyclone III系列、HardCopyII系列、APEX II系列、FLEX10K系列、FLEX6000系列、MAX II系列、MAX 3000A系列、MAX 7000系列和MAX 9000系列等。支持設計者使用LPM模塊、Megacore模塊和Opencore模塊。LPM模塊均是基于Altera器件的結構進行了優(yōu)化處理，是構建復雜和高級系統(tǒng)的重要組成

4、部分。在實際使用中，如果要使用Altera器件的特定功能，必須使用LPM模塊才能做到，如各類片上存儲器、DSP模塊、LVDS驅動器、PLL模塊、SERDES模塊和DDIO模塊。Megacore模塊是經(jīng)過預先校驗的HDL網(wǎng)表文件，用于實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)級功能。用戶可以從Altera公司購買而獲得這些Megacore模塊。Opencore模塊是一種開放型的內(nèi)核，設計者可以在購買前使用，對自己的設計進行評估。支持多時鐘定時分析和LogtcLock基于塊的設計。內(nèi)嵌SignalTap II邏輯分析儀和功率估計器等高級工具。易于實現(xiàn)引腳分配和時序約束。2.1.2 Quartus II設計軟件的流程和集成的工

5、具 FPGA/CPLD的開發(fā)設計分為不同階段，設計者使用Quartus II軟件可以通過一系列流程來建立、組織和管理自己的設計。使用Quartus II軟件的設計流程，如圖2.1所示。2.1.3 Quartus II軟件的用戶界面 Quartus II軟件的默認啟動界面，如圖2.2所示。軟件界面由標題欄、菜單欄、工具欄、資源管理窗口、編譯狀態(tài)顯示窗、信息顯示窗口和工程工作區(qū)等組成。 1用戶界面各個組成部分的作用 2重要操作命令介紹2.2 設計輸入 使用Quartus II軟件進行數(shù)字系統(tǒng)設計時，需要建立一個工程。工程包括在可編程器件中最終實現(xiàn)設計需要的所有設計文件和其他相關的設置文件。設計輸入

6、的方式有：原理圖輸入方式、文本輸入方式、模塊輸入方式和EDA設計輸入工具。設計輸入的流程，如圖2.5所示。2.2.1 建立工程 用戶可以通過單擊 File|New Project Wizard命令來打開工程向導，建立工程，指定工程工作目錄，分配工程名稱，指定頂層設計實體的名稱。還可以在工程中指定使用的設計文件、其它源文件、用戶庫和 EDA工具，以及目標器件。工程文件類型，如表2.1所示。文件類型說明擴展名Quartus II工程文件指定用來建立工程和與工程相關修訂的 Quartus II軟件版本。.qpfQuartus II設置文件包括分配編輯器、平面布局編輯器、Settings對話框、Tcl

7、腳本或者 Quartus II可執(zhí)行文件產(chǎn)生的所有修訂范圍內(nèi)或者獨立的分配。工程中每個修訂有一個 QSF。.qsfQuartus II工作空間文件包含用戶偏好和其他信息，例如窗口位置，窗口中打開文件及其位置。.qwsQuartus II默認設置文件位于 win目錄下，包括所有全局默認設置。QSF 中的設置將替代這些設置。.qdf2.2.2 輸入方式 工程建立以后，需要向其加入設計文件。Quartus II軟件支持文本格式的HDL文件、原理圖格式的模塊化文件和宏功能模塊文件。 1使用Quartus II模塊編輯器 2使用Quartus II文本編輯器 3使用Altera宏功能2.3 約束輸入 建

8、立工程和設計之后，可以進行約束輸入。通過使用分配編輯器、Settings 對話框、TimeQuest分析器、引腳規(guī)劃器、設計劃分窗口和時序逼近平面布局來指定初始設計約束，如引腳分配、器件選項、邏輯選項和時序約束等。約束和分配輸入流程，如圖2.6所示。2.3.1 使用分配編輯器 分配編輯器用于在 Quartus II軟件中建立、編輯節(jié)點和實體級分配。在設計中為邏輯指定各種選項和設置，包括位置、I/O標準、時序、邏輯選項、參數(shù)、仿真和引腳分配。它可以使能或者禁止單獨分配功能，也可以為分配加入注釋。2.3.2 使用引腳規(guī)劃器 Assignments 菜單下的可視化引腳規(guī)劃器是分配引腳和引腳組的另一種

9、工具。它包括器件的封裝視圖，以不同的顏色和符號表示不同類型的引腳，并以其他符號表示I/O塊。引腳規(guī)劃器使用的符號與器件數(shù)據(jù)手冊中的符號非常相似。而且它還包括已分配和未分配引腳的表格。單擊Assignments|Pin Planner命令，彈出引腳規(guī)劃器窗口，如圖2.12所示。2.3.3 使用Settings對話框 用戶單擊Assignments|Settings命令，彈出Settings對話框，如圖2.13所示。2.4 綜合 向工程中添加設計文件并設置引腳鎖定后，就要對工程進行綜合了。綜合在設計流程中很重要的部分，綜合結果的優(yōu)劣直接影響了布局布線的結果。綜合的主要功能是將HDL語言翻譯成最基本

10、的與、或、非門，RAM和觸發(fā)器等基本邏輯單元的連接關系，即網(wǎng)表，并根據(jù)要求（約束條件）實現(xiàn)優(yōu)化，生成的門級邏輯連接，輸出網(wǎng)表文件，供下一步的布局布線用。好的綜合工具能夠使設計占用芯片的資源更少、工作速度更快。2.4.1 使用Quartus II軟件集成的綜合工具 使用 Quartus II 集成綜合工具Analysis & Synthesis完全支持VHDL和Verilog HDL語言的設計文件。用戶可以在Settings對話框中選擇使用的語言標準，同時還可以指定Quartus II軟件非Quartus II軟件函數(shù)映射到Quartus II軟件函數(shù)的庫映射文件（.lmf）上。綜合設計

11、流程，如圖2.14所示。 1使用Quartus II邏輯選項 2使用Quartus II綜合網(wǎng)表優(yōu)化選項2.4.2 使用其他 EDA 綜合工具 使用其它EDA 綜合工具也可以綜合VHDL或Verilog HDL設計，生成Quartus II 軟件使用的 EDIF 網(wǎng)表文件或 VQM 文件。Altera提供多種EDA綜合工具使用的庫。Altera還為多種工具提供NativeLink 支持。NativeLink技術有助于在 Quartus II 軟件和其它 EDA工具之間無縫傳送信息，并允許您從Quartus II圖形用戶界面中自動運行EDA工具。 2.4.3 使用RTL查看器和狀態(tài)機查看器分析綜

12、合結果 使用Quartus II的RTL Viewer和State Machine Viewer可以查看所設計的原理示意圖。首先單擊Processing|Start|Start Analysis & Elaboration命令，對設計進行分析。然后使用RTL Viewer。 1RTL 查看器2.4.3 使用RTL查看器和狀態(tài)機查看器分析綜合結果 2狀態(tài)機查看器2.4.3 使用RTL查看器和狀態(tài)機查看器分析綜合結果 3采用技術映射查看器分析綜合結果2.5 布局布線 使用QuartusII軟件的Fitter（適配器）可以對設計進行布局布線。Fitter 使用由 Analysis &

13、 Synthesis 生成的網(wǎng)表文件，將工程的邏輯和時序要求與器件的可用資源相匹配。它將每個邏輯功能分配給最佳邏輯單元位置，進行布線和時序分析，并選定相應的互連路徑和引腳分配。布局布線設計流程，如圖2.21所示。2.5.1 設置Fitter選項 單擊Assingments|Settings|Fitter Settings命令，彈出Fitter Settings窗口，如圖2.22所示2.5.2 設置物理綜合優(yōu)化選項 Quartus II 軟件通過設置可以執(zhí)行物理綜合，它是根據(jù)設計者選擇的優(yōu)化目標而優(yōu)化綜合網(wǎng)表以達到提高速率或減少資源的目的。物理綜合優(yōu)化是在編譯流程的布局布線階段發(fā)生的，是通過改變

14、底層布局以優(yōu)化網(wǎng)表，主要是改善設計的工作頻率性能。2.5.3 通過反標保留分配 通過反標器件資源分配可以保留上次編譯的資源分配?？梢栽诠こ讨蟹礃怂匈Y源分配；還可以反標 LogicLock區(qū)域的大小和位置。2.6 仿真 完成了設計輸入以及成功綜合、布局布線后，只能說明設計符合一定的語法規(guī)范。但是否滿足設計者要求的功能，是不能保證的，還需要通過仿真流程對設計進行驗證。仿真的目的就是在軟件環(huán)境下，驗證電路的行為和設想中的行為是否一致。2.6.1 Quartus II仿真器設置 用戶單擊Assingments|Settings|Simulator Settings命令，彈出Simulator Set

15、tings窗口，如圖2.27所示。在此可以指定要執(zhí)行的仿真類型，仿真所需的時間周期，向量激勵源，以及其他仿真選項。2.6.2 建立用于仿真的波形文件 對設計進行仿真，首先需要建立用于仿真的波形文件，即Vector Waveform File文件（.vwf），使用Quartus II的Waveform Editor（波形編輯器）可以建立和編輯用于波形格式仿真的輸入向量文件。使Waveform Editor支持向量波形文件（.vwf）、向量文件（.vec）和向量表輸出文件（.tbl）。常用的是向量波形文件。2.7 編程與配置 工程編譯之后，就可以對 Altera 器件進行編程或配置。 Quartu

16、s II Compiler 的 Assembler 模塊生成編程文件，Quartus II Programmer 可以用它與 Altera 編程硬件一起對器件進行編程或配置。還可以使用Quartus II Programmer 的獨立版本對器件進行編程和配置。編程設計流程，如圖2.33所示。2.7.1 建立編程文件 Assembler自動將 Fitter的器件、邏輯單元和引腳分配轉換為器件的編程鏡像，其表現(xiàn)形式就是生成目標器件的一個或多個Programmer Object Files(.pof)或SRAM Object Files(.sof)文件?？梢栽诎?Assembler模塊的Quartus II 軟件中啟動完整編譯，也可以單獨運行 Assembler。 1設置Assignments可以生成的其他格式編程文件 2創(chuàng)建.Jam文件、Jam字節(jié)代碼文件、串行矢量格式文件或在系統(tǒng)配置文件2.7.2 器件編程和配置 生成的 Programmer Object 文件和 SRAM Objec