《Altera編程與配置》課件

Altera編程與配置Altera是領(lǐng)先的FPGA和可編程邏輯器件制造商。本課程介紹Altera器件的編程和配置，包含硬件描述語(yǔ)言（HDL）編程、編譯和配置過(guò)程等內(nèi)容。dhbydhsehsfdwAltera公司簡(jiǎn)介11.簡(jiǎn)介Altera是全球領(lǐng)先的可編程邏輯器件供應(yīng)商。22.產(chǎn)品Altera提供FPGA、CPLD等可編程邏輯器件，以及相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具和軟件。33.應(yīng)用Altera的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)控制、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。44.收購(gòu)2015年，Altera被英特爾公司收購(gòu)。AlteraFPGA器件概述AlteraFPGA是可編程邏輯器件，擁有可配置的邏輯塊、存儲(chǔ)單元和連接，實(shí)現(xiàn)自定義電路。AlteraFPGA采用基于SRAM的架構(gòu)，邏輯功能和連接結(jié)構(gòu)可通過(guò)編程配置，實(shí)現(xiàn)不同邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。AlteraFPGA可用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，包括數(shù)字信號(hào)處理、通信、工業(yè)控制等。FPGA器件的組成結(jié)構(gòu)FPGA器件包含多個(gè)基本單元，例如可編程邏輯塊（CLB）、輸入輸出塊（IOB）、存儲(chǔ)器塊（M9K）、數(shù)字信號(hào)處理塊（DSP）等。這些單元可以通過(guò)可編程互連網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路，實(shí)現(xiàn)各種功能。FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，可以滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)需求。AlteraFPGA軟硬件開(kāi)發(fā)流程1設(shè)計(jì)輸入創(chuàng)建硬件描述語(yǔ)言（HDL）代碼，例如Verilog或VHDL，或使用圖形化設(shè)計(jì)工具，例如QuartusII。2綜合將HDL代碼或圖形設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為邏輯門(mén)級(jí)網(wǎng)表，這是FPGA配置的底層描述。3布局布線將邏輯門(mén)級(jí)網(wǎng)表映射到FPGA的特定硬件資源，并確定每個(gè)邏輯門(mén)的位置和互連。4編程文件生成生成用于配置FPGA器件的編程文件，通常為比特流文件。5編程下載將編程文件下載到FPGA器件，使器件按照設(shè)計(jì)的功能運(yùn)行。6驗(yàn)證測(cè)試使用仿真工具或?qū)嶋H硬件測(cè)試FPGA器件的功能和性能。QuartusII開(kāi)發(fā)軟件簡(jiǎn)介綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusII是一款功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），用于設(shè)計(jì)、仿真和編程AlteraFPGA和CPLD器件。設(shè)計(jì)流程管理QuartusII提供完整的FPGA開(kāi)發(fā)流程管理，涵蓋電路設(shè)計(jì)、仿真、綜合、布局布線、編程等所有步驟。強(qiáng)大功能軟件功能包括邏輯設(shè)計(jì)、硬件描述語(yǔ)言（HDL）編輯、仿真工具、器件編程器和硬件配置工具等。豐富資源QuartusII提供豐富的在線幫助文檔、教程和示例項(xiàng)目，方便用戶(hù)學(xué)習(xí)和使用軟件。QuartusII界面及基本操作QuartusII主界面QuartusII軟件的主界面提供用戶(hù)友好的圖形界面，包含菜單欄、工具欄和項(xiàng)目窗口等。項(xiàng)目導(dǎo)航器項(xiàng)目導(dǎo)航器提供項(xiàng)目文件和資源的組織管理，方便用戶(hù)訪問(wèn)和操作項(xiàng)目文件。設(shè)計(jì)輸入用戶(hù)可以通過(guò)圖形編輯器、文本編輯器或硬件描述語(yǔ)言輸入設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電路的邏輯功能。編譯與綜合編譯和綜合過(guò)程將用戶(hù)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為FPGA器件可執(zhí)行的配置數(shù)據(jù)。電路設(shè)計(jì)與綜合電路設(shè)計(jì)使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)或圖形化設(shè)計(jì)工具來(lái)描述電路的功能和結(jié)構(gòu)，例如Verilog或VHDL。行為建模根據(jù)電路的功能，使用HDL語(yǔ)言或圖形化設(shè)計(jì)工具來(lái)描述電路的邏輯行為，例如狀態(tài)機(jī)、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等。結(jié)構(gòu)建模根據(jù)電路的功能，使用HDL語(yǔ)言或圖形化設(shè)計(jì)工具來(lái)描述電路的結(jié)構(gòu)，例如寄存器、組合邏輯、時(shí)序邏輯等。綜合將HDL代碼或圖形化設(shè)計(jì)工具中的電路描述轉(zhuǎn)換為FPGA器件內(nèi)部的邏輯門(mén)級(jí)網(wǎng)表，完成邏輯優(yōu)化。電路仿真與調(diào)試電路仿真和調(diào)試是FPGA開(kāi)發(fā)中必不可少的部分，確保設(shè)計(jì)的正確性和功能完整性。1功能驗(yàn)證通過(guò)仿真工具模擬電路行為，檢查邏輯功能是否符合預(yù)期。2時(shí)序分析分析電路的時(shí)序特性，確保滿(mǎn)足時(shí)序要求，避免競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。3硬件調(diào)試使用邏輯分析儀、示波器等工具分析實(shí)際電路運(yùn)行狀態(tài)，排查問(wèn)題。編程文件生成1綜合將HDL代碼轉(zhuǎn)化為網(wǎng)表文件。2布局布線將網(wǎng)表文件映射到FPGA器件結(jié)構(gòu)。3編程文件生成生成可用于編程FPGA器件的配置文件。生成編程文件是FPGA開(kāi)發(fā)流程的最后一步，也是將設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際可運(yùn)行的硬件的關(guān)鍵步驟。FPGA器件編程配置數(shù)據(jù)準(zhǔn)備使用QuartusII軟件生成編程文件，該文件包含配置FPGA器件所需的所有信息。編程方式選擇根據(jù)FPGA器件類(lèi)型和應(yīng)用需求選擇合適的編程方式，如JTAG、SPI、ASIC等。編程設(shè)備連接將編程設(shè)備連接到FPGA器件，并確保連接正確無(wú)誤。編程指令發(fā)送通過(guò)編程設(shè)備向FPGA器件發(fā)送編程指令，將配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件內(nèi)部的存儲(chǔ)單元。編程完成驗(yàn)證使用相應(yīng)的工具驗(yàn)證編程是否成功，并確保FPGA器件正常工作。編程文件下載與驗(yàn)證1配置驗(yàn)證使用邏輯分析儀或示波器驗(yàn)證FPGA芯片工作是否正常。2下載編程文件將生成的編程文件下載到FPGA器件。3編程文件生成使用QuartusII軟件生成編程文件。在FPGA器件編程完成之后，需要進(jìn)行驗(yàn)證，確保編程文件正確下載并且FPGA器件能夠正常工作。AlteraCPLD器件概述可編程邏輯器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是一種可編程邏輯器件，提供更靈活的邏輯功能和更高的集成度。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)CPLD采用模塊化結(jié)構(gòu)，由多個(gè)可編程邏輯塊(Macrocells)和連接矩陣構(gòu)成，每個(gè)Macrocell可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯功能，并通過(guò)連接矩陣進(jìn)行互連。編程方式CPLD使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，例如硬件描述語(yǔ)言(HDL)或圖形化配置工具，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)邏輯電路。應(yīng)用領(lǐng)域CPLD廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)、工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域，可用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制功能。MAXIICPLD器件結(jié)構(gòu)MAXIICPLD器件采用了一種名為"AdaptiveLogicModules(ALM)"的可編程邏輯模塊，每個(gè)ALM包含一個(gè)4輸入查找表(LUT)，一個(gè)進(jìn)位鏈和一個(gè)可配置的D型觸發(fā)器。這些ALM可以通過(guò)可編程互連網(wǎng)絡(luò)連接，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。MAXIICPLD還包括可編程I/O塊，用于連接外部器件。MAXIICPLD編程流程1電路設(shè)計(jì)使用MAX+PLUSII軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，包括邏輯功能定義、時(shí)序約束等。2仿真測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，確保電路設(shè)計(jì)正確無(wú)誤。3編程文件生成將設(shè)計(jì)電路編譯成可編程的JEDEC文件，用于下載到MAXIICPLD器件。4器件編程使用編程器將JEDEC文件下載到MAXIICPLD器件，完成編程過(guò)程。5驗(yàn)證測(cè)試對(duì)編程后的器件進(jìn)行功能驗(yàn)證和時(shí)序測(cè)試，確認(rèn)程序正確加載并正常運(yùn)行。MAXIICPLD電路設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)輸入使用MAX+PLUSII軟件輸入設(shè)計(jì)文件2邏輯綜合將設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)換為可實(shí)現(xiàn)的邏輯電路3布局布線將邏輯電路映射到器件的物理結(jié)構(gòu)4編程文件生成生成可編程器件的配置數(shù)據(jù)MAXIICPLD電路設(shè)計(jì)過(guò)程包括多個(gè)步驟，從設(shè)計(jì)輸入到編程文件生成，每個(gè)步驟都對(duì)最終電路的功能和性能至關(guān)重要。MAXIICPLD編程與下載1創(chuàng)建編程文件使用MAX+PLUSII軟件生成編程文件2選擇編程方式JTAG或并行編程3連接編程器將編程器連接到MAXIICPLD器件4下載編程文件將編程文件下載到MAXIICPLD器件MAXIICPLD編程文件是包含邏輯功能的配置數(shù)據(jù)。通過(guò)編程器，可以將編程文件下載到CPLD器件，實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)。FPGA器件時(shí)鐘管理時(shí)鐘源FPGA器件通常使用外部時(shí)鐘源，例如晶振或時(shí)鐘發(fā)生器。時(shí)鐘分配時(shí)鐘信號(hào)需要分配到FPGA內(nèi)部不同的邏輯模塊，并確保信號(hào)的同步和完整性。時(shí)鐘管理模塊FPGA內(nèi)部集成了專(zhuān)用時(shí)鐘管理模塊，用于時(shí)鐘信號(hào)的生成、分配和同步。FPGA器件電源管理電源需求FPGA器件需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)才能正常工作。不同的FPGA器件需要不同的電源電壓。電源管理模塊FPGA器件通常集成了電源管理模塊，用于管理電源電壓和電流，提供穩(wěn)壓、降壓、升壓等功能。FPGA器件布局布線FPGA布局布線是指將設(shè)計(jì)好的邏輯電路映射到FPGA芯片內(nèi)部的具體位置，并連接相應(yīng)的信號(hào)線。布局布線是FPGA設(shè)計(jì)流程中非常關(guān)鍵的一步，它直接影響著FPGA器件的性能，包括速度、功耗和可靠性。1自動(dòng)布局布線使用QuartusII軟件自動(dòng)完成布局布線2手動(dòng)布局布線根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，優(yōu)化性能3布局布線約束設(shè)定布局布線規(guī)則，確保設(shè)計(jì)目標(biāo)布局布線約束包括時(shí)鐘約束、信號(hào)完整性約束等，可以有效地提高FPGA器件的性能。FPGA器件性能分析FPGA器件性能分析至關(guān)重要，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高性能。關(guān)鍵指標(biāo)描述工作頻率FPGA器件所能支持的最大工作頻率邏輯資源FPGA器件提供的邏輯單元數(shù)量?jī)?nèi)存資源FPGA器件提供的存儲(chǔ)器單元數(shù)量時(shí)鐘管理FPGA器件提供的時(shí)鐘資源及管理機(jī)制FPGA器件封裝及引腳分配1封裝類(lèi)型常見(jiàn)封裝包括QFP、BGA、PGA、SOP、DIP等。不同封裝類(lèi)型決定了器件尺寸、引腳數(shù)量和布局。2引腳定義每個(gè)引腳都有特定的功能，包括電源、地、輸入輸出、時(shí)鐘等。詳細(xì)引腳定義可在器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中查閱。3引腳分配根據(jù)設(shè)計(jì)需求，將信號(hào)分配到相應(yīng)的引腳，確保信號(hào)完整性和器件正常工作。4信號(hào)完整性引腳分配需要考慮信號(hào)的阻抗匹配、交叉串?dāng)_等因素，確保信號(hào)完整性和信號(hào)質(zhì)量。FPGA器件信號(hào)完整性信號(hào)完整性重要性信號(hào)完整性對(duì)FPGA器件性能至關(guān)重要。它確保信號(hào)在電路板上傳輸時(shí)保持其完整性，避免信號(hào)失真或延遲。信號(hào)完整性問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致FPGA器件無(wú)法正常工作或出現(xiàn)性能下降。影響因素電源噪聲信號(hào)反射串?dāng)_阻抗不匹配FPGA器件應(yīng)用設(shè)計(jì)案例FPGA器件應(yīng)用廣泛，涵蓋了各種領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化、通信、醫(yī)療、航空航天等。這些案例展示了FPGA器件在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)大能力和靈活性，為使用者提供參考和啟發(fā)。例如，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可以用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制等功能，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可用于構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò)接口、信號(hào)處理、加密解密等功能，滿(mǎn)足高速、高可靠性的通信需求。PCB設(shè)計(jì)與制作1電路圖設(shè)計(jì)使用EDA軟件繪制電路圖，并進(jìn)行元器件選型和布局，確保電路功能和性能。2PCB版圖設(shè)計(jì)根據(jù)電路圖，使用EDA軟件設(shè)計(jì)PCB版圖，包括元器件封裝、走線、布線等，優(yōu)化信號(hào)完整性和性能。3PCB制造將設(shè)計(jì)好的PCB版圖文件發(fā)送給PCB制造商，使用相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行PCB板的制作，例如SMT貼片、波峰焊等。4PCB組裝測(cè)試將制造好的PCB板進(jìn)行組裝，并進(jìn)行必要的測(cè)試，確保電路板的功能和性能符合設(shè)計(jì)要求。測(cè)試與調(diào)試技巧模擬測(cè)試使用仿真軟件模擬FPGA電路的行為，驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯的正確性。硬件測(cè)試將FPGA編程文件下載到器件中，進(jìn)行實(shí)際的硬件測(cè)試，驗(yàn)證電路功能。調(diào)試工具使用示波器、邏輯分析儀等工具觀察信號(hào)波形，定位問(wèn)題所在。錯(cuò)誤排查根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析錯(cuò)誤原因，并修改設(shè)計(jì)代碼，重新編譯下載。FPGA器件發(fā)展趨勢(shì)性能提升更高的邏輯單元密度，更快的時(shí)鐘頻率，更低的功耗。集成度提高集成更多功能模塊，如高速收發(fā)器，嵌入式處理器，存儲(chǔ)器等。人工智能