【從零開始走進(jìn)FPGA】美好開始

關(guān)鍵詞： FPGA , Quartus , II

　　按照基于Windows的語(yǔ)言(C、C++、C#)等編程語(yǔ)言的初學(xué)入門教程，第一個(gè)歷程應(yīng)該是“Hello World!”的例程。但由于硬件上的驅(qū)動(dòng)難易程度，此例程將在在后續(xù)章程中推出。硬件工程師學(xué)習(xí)開發(fā)板的第一個(gè)例程：流水燈，一切美好的開始。
　　本章將會(huì)在設(shè)計(jì)代碼的同時(shí)，講解Quartus II 軟件的使用，后續(xù)章節(jié)中只講軟件的思想，以及解決方案，不再做過(guò)多的累贅描述。
　　一、Step By Step 建立第一個(gè)工程
　　(1)建立第一個(gè)工程，F(xiàn)ile-New-New Quartus II Project，如下圖所示，OK。
　　

　　(2)Next，如下圖所示，選擇工程目錄(不能有空格，中文路徑)，同時(shí)輸入工程名與頂層文件名。
　　

　　(3)若有現(xiàn)成的代碼，可以直接選擇添加入工程;否則，直接next，進(jìn)入下一步，如下圖所示：
　　

　　(4)根據(jù)自己的硬件設(shè)施，選擇相應(yīng)的設(shè)備目標(biāo)器件。
　　

　　(5)Next，F(xiàn)inish。
　　二、工程代碼設(shè)計(jì)
　　1. water_led_design工程文件結(jié)構(gòu)：
　　

　　如上圖所示，工程分為三個(gè)模塊，分別為：
　　(1)頂層模塊 ： 例化各個(gè)模塊，工程的最高級(jí)別文件。
　　(2)分頻模塊 ： 通過(guò)分頻得到固定的頻率(10Hz)。
　　(3)LED顯示模塊： 隨固定頻率，來(lái)操作LED燈。
　　2. 代碼設(shè)計(jì)
　　(1)warter_led.v模塊設(shè)計(jì)
　　a) New-File，新建verilog文件，保存于新建在工程目錄下的src文件夾中(只是為了工程文件結(jié)構(gòu)組織的清晰，更善于管理)。如下圖所示：
　　

　　b) 輸入代碼，定義輸入輸出接口，如下所示：
　　
[color=]module water_led

[color=]　　(

[color=]　　input clk, //global clock 50MHz

[color=]　　input rst_n, //global clock reset

[color=]　　output [5:0] led_data //user led interface

[color=]　　);

[color=]　　endmodule
                               
                　　(2)clk_design.v模塊設(shè)計(jì)
　　由于系統(tǒng)輸入時(shí)鐘是50Mhz，若以50MHz的速度變換LED等，人眼壓根分辨不出來(lái)。因此利用分頻原理，來(lái)對(duì)50MHz進(jìn)行分頻，而適應(yīng)人眼。本模塊將50MHz分頻至10Hz，人眼分辨的極限是25Hz，因此10Hz能感覺得到(可以隨機(jī)修改)。Led_en的頻率計(jì)算公式：clk_led_en = 50_000000/(49_000000+1) = 10Hz,具體代碼如下:
　　
[color=]module clk_design

[color=]　　(

[color=]　　input clk,

[color=]　　input rst_n,

[color=]　　output led_en

[color=]　　);

[color=]　　reg [22:0] cnt; //49_99999,100ms

[color=]　　parameter LED_CNT = 49_999999;

[color=]　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

[color=]　　begin

[color=]　　if(!rst_n)
　　cnt
　　else if(cnt
　　cnt
[color=]　　else
　　cnt
[color=]　　end

[color=]　　assign led_en = (cnt == 23'd49_99999) ? 1'b1 : 1'b0;

[color=]　　endmodule
　　模塊沒有分頻產(chǎn)生10Hz的頻率，而是生成了10Hz的使能時(shí)鐘，目的是防止時(shí)鐘滿天飛，使得FPGA 內(nèi)部布局布線紊亂，影響全局功能。雖然如此簡(jiǎn)單的工程可以不用考慮，但是“習(xí)慣了嚴(yán)謹(jǐn)便成為了一種風(fēng)范”，因此使用使能時(shí)鐘，來(lái)對(duì)具體的時(shí)序進(jìn)行操作。具體使能時(shí)鐘、門控時(shí)鐘的異同、優(yōu)劣將會(huì)在后續(xù)章節(jié)中解說(shuō)。
　　(3)led_display.v模塊設(shè)計(jì)
　　根據(jù)輸入的led_en使能信號(hào)，來(lái)操作led燈的效果，此處采用最簡(jiǎn)單的算法——遞增進(jìn)位。代碼如下所示：
　　
[color=]module led_display

[color=]　　(

[color=]　　input clk,

[color=]　　input rst_n,

[color=]　　input led_en,

[color=]　　output reg [5:0] led_data

[color=]　　);

[color=]　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

[color=]　　begin

[color=]　　if(!rst_n)
　　led_data
[color=]　　else if(led_en)
　　led_data
[color=]　　else
　　led_data
[color=]　　end

[color=]　　endmodule

[color=]　　(4)從新修改water_led_design頂層文件，添加相關(guān)例化模塊。最后結(jié)果如下：

[color=]　　module water_led_design

[color=]　　(

[color=]　　input clk, //global clock 50MHz

[color=]　　input rst_n, //global clock reset

[color=]　　output [5:0] led_data //user led interface

[color=]　　);

[color=]　　//-------------------------

[color=]　　//generater clock 10Hz

[color=]　　wire led_en;

[color=]　　clk_design clk_design_inst

[color=]　　(

[color=]　　.clk (clk),

[color=]　　.rst_n (rst_n),

[color=]　　.led_en (led_en)

[color=]　　);

[color=]　　//-------------------------

[color=]　　//set the display of led

[color=]　　led_display led_display_inst

[color=]　　(

[color=]　　.clk (clk),

[color=]　　.rst_n (rst_n),

[color=]　　.led_en (led_en),

[color=]　　.led_data (led_data)

[color=]　　);

[color=]　　endmodule
                               
                　　3. 代碼編譯
　　(1)通過(guò)Processing-Start Compilation，或者工具欄的圖標(biāo)如下：
　　

　　(2)編譯結(jié)果如下，可見相關(guān)信息：
　　

　　(3)警告的分析及解決：
　　

　　a) Warming(4)如上圖所示，具體解釋如下：
　　i. 沒有電容配置
　　ii. 沒有把unused的pin設(shè)置為三態(tài)。在Assignment-Device-Device and Pin Opitions-Unused Pins，設(shè)置如下圖所示：
　　

　　iii. 沒有電容配置
　　iv. 可以忽略
　　

　　b) Critical Warming(5)如上圖所示，具體解釋如下：
　　i. 引腳沒有分配IO
　　ii. 沒有sdc時(shí)序約束文件
　　iii. 沒有sdc約束文件
　　iv. 時(shí)序沒有達(dá)到要求
　　v. 時(shí)序沒有達(dá)到要求
　　出現(xiàn)這些警告的原因是因?yàn)镼uartus II 10.1以后的版本軟件，不再自帶TimeQuest Timing Analyzer，只有Classic Timing Analyzer，雖然不加sdc時(shí)序約束對(duì)于一般情況也不一定會(huì)有錯(cuò)，但軟件設(shè)計(jì)的必然會(huì)出現(xiàn)這樣的警告。關(guān)于TimingQuest sdc，會(huì)在后續(xù)章節(jié)中闡述，此處不做具體說(shuō)明。
　　關(guān)于Quartus II 警告信息分析以及零警告的處理，可以右擊警告查看help，altera會(huì)告訴您相應(yīng)的解決方案;此外，Bingo已上傳Chinaaet“Quartus II 警告分析.pdf”，下載地址為：?id=86271
　　初學(xué)折有不到之處可以查閱該pdf，記住，永遠(yuǎn)不要輕易忽略警告。
　　三、Modelsim-Altera仿真
　　1. 為什么要仿真
　　首先討論兩個(gè)問(wèn)題：
　　(1)仿真?是真的嗎?
　　仿真，只是為了模擬真實(shí)現(xiàn)象，測(cè)試代碼的行為以及時(shí)序的正確性;當(dāng)然，仿真永遠(yuǎn)是模仿的，不可能是絕對(duì)準(zhǔn)確的，只能在一定程度上模擬真實(shí)時(shí)序，讓我們的設(shè)計(jì)變得更可靠。仿真對(duì)于電路設(shè)計(jì)者，只是一個(gè)軟件測(cè)試的平臺(tái)，而不是實(shí)際硬件設(shè)施的測(cè)試結(jié)果。
　　(2)一定要仿真嗎?
　　未必!如果你有足夠的把握時(shí)序的準(zhǔn)確性，腦子里能夠完成整個(gè)電路的時(shí)序邏輯工作流程，仿真就不是那個(gè)必須的了;對(duì)于已經(jīng)成型的模塊，保證時(shí)序準(zhǔn)確的情況下，何必在徒勞的仿真呢?按常理，是現(xiàn)有Quartus II軟件，再有仿真軟件的吧，Testbench只是測(cè)試程序，鏈接兩者之間的橋梁。
　　回想，在n年前的老工程師，用block中用與非門與74系列芯片設(shè)計(jì)的原理圖，要仿真似乎變得很難?那些老前輩們是通過(guò)實(shí)物的測(cè)試，不斷的修正、改善，最后才得到可靠的電路。
　　因此，仿真 不是必須的。Bingo就經(jīng)常不仿真!不是說(shuō)懶，是因?yàn)槟X子中的電路時(shí)序邏輯，本能性的能夠保證電路的準(zhǔn)確性，或者說(shuō)出了問(wèn)題能夠自行改正，不會(huì)失去了方向。所謂代碼在電腦上，電路在腦子中，每一句行為級(jí)語(yǔ)言，都加增添一個(gè)電路。
　　當(dāng)然，并非每一個(gè)人都可以這樣子的。對(duì)于初學(xué)者而言，仿真是非常重要的一個(gè)過(guò)程。原因是因?yàn)樵诔鯇W(xué)者腦子中，還未呈現(xiàn)固定邏輯實(shí)現(xiàn)的時(shí)序工作流程，換句話說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富吧。
　　當(dāng)然在時(shí)序很復(fù)雜而且龐大時(shí)，時(shí)序仿真是必須的，因?yàn)樵谶@種情況下，大腦的模擬也許無(wú)法跟計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度比擬了。
　　前文安裝Quartus II 軟件章節(jié)有提到過(guò)，Quartus II 9.1以前版本，軟件自帶仿真器，而9.1以后的版本，需要第三方軟件的支持。第三放仿真軟件有很多，而用的最多的，固然是Modelsim-Altera。本章節(jié)中Quartuus II 11.0與Modelsim-Altera協(xié)同工作，仿真測(cè)試本例程的代碼的時(shí)序。希望通過(guò)節(jié)的分析，對(duì)時(shí)序邏輯上有一個(gè)更深刻的認(rèn)識(shí)。
                               
                　　2. 仿真必備的知識(shí)
　　Altera_Modelsim仿真資料：?id=86257
　　四、配置FPGA
　　1. 配置綜合
　　配置引腳簡(jiǎn)單的說(shuō)就是通過(guò)軟件的設(shè)置，將FPGA內(nèi)部邏輯信號(hào)映射到IO上，具體有下面幾種方法：
　　(1)在Assignments-Pin Planner中對(duì)應(yīng)IO手動(dòng)輸入IO引腳
　　(2)Quartus II Tcl Console 手動(dòng)輸入，輸入的格式為：“set_location_assignment PIN_28 -to clk”
　　(3)Tcl Scripts，通過(guò)調(diào)入tcl 文件來(lái)進(jìn)行映射
　　(4)在Assignments-Import Assignments，通過(guò)調(diào)入(2)格式的文件來(lái)進(jìn)行映射。
　　后面兩種方法具體步驟可見網(wǎng)友“小時(shí)不識(shí)月”的網(wǎng)頁(yè)教程：
　　配置好查看Quartus II Pin Planner，如下圖所示：
　　

　　配置完引腳在進(jìn)行綜合，就少了上述提醒沒有進(jìn)行引腳配置的2個(gè)警告。
　　注意1：對(duì)于Quartus II 中引腳配置的方法，若用最原始的第一種GUI手動(dòng)輸入配置，需要第一次編譯后讓軟件在Pin Planner生成IO，然后再GUI下手動(dòng)配置;若用其他三種方法，可以在第一次編譯以前，用命令輸入配置信息，在Quartus II 編譯后，自動(dòng)識(shí)別映射信息，達(dá)到同樣的效果。
　　注意2：對(duì)于系統(tǒng)及的FPGA設(shè)計(jì)，由于工程之大，引腳之多，一般編譯綜合需要耗費(fèi)很大的時(shí)間，因此一般采用不采用第一種方法，而且在第一次編譯以前事先導(dǎo)入映射信息。
　　2. 目標(biāo)板下載模式
　　總而言之，Quartus II 軟件只是個(gè)GUI的 用戶終端，用來(lái)設(shè)計(jì)代碼，綜合FPGA邏輯電路，最終的目的，是通過(guò)USB Bluster、并口或者其他途徑下載到目標(biāo)板。具體有以下幾種：
　　(1)配置FPGA——JTAG Mode
　　所謂配置FPGA就是將sof文件電路配置FPGA的SRAM(FPGA是基于SRAM格式的)，在不掉電的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置，驗(yàn)證。此方式是通過(guò)JTAG接口下載的。
　　(2)燒錄EPCS——Active Serial Programming
　　所謂燒錄EPCS是生成的代碼信息燒錄到存儲(chǔ)芯片EPCS中，通過(guò)配置信號(hào)或者重新上電，配置FPGA SRAM;由于EPCS flash結(jié)構(gòu)，因此EPCS中的掉電不丟失(類似于CPLD)。燒錄EPCS有兩種方法，如下
　　a) 通過(guò)ASP接口下載pof文件
　　b) 通過(guò)JTAG接口下載jic/jam文件，jic/jam文件由Quartus II 軟件對(duì)sof文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到。
　　(3)Passive Serial并口下載
　　(4)In Socket Programming下載
　　以上兩種模式，由于應(yīng)用不是很廣泛，在此不做過(guò)多闡述。
　　綜上說(shuō)明，在成本敏感，或者電路板空間苛刻的情況下，完全可以舍去ASP接口，而用JTAG來(lái)替換?？紤]到Altera設(shè)計(jì)了兩種接口的原因，是給用戶更大的選擇性，特殊場(chǎng)合下，可以只存在ASP接口，只進(jìn)行一次燒錄，而不用JTAG接口進(jìn)行測(cè)試。
　　3. JTAG的下載
　　(1)在工具欄打開或者菜單欄Tool打開Programming
　　

　　(2)若沒找到Hardware，在Hardware Setting中找到USB Bluster。
　　(3)選擇JTAG Mode
　　(4)若沒有自動(dòng)加載sof文件，點(diǎn)擊Add File導(dǎo)入該工程的sof文件
　　(5)最后點(diǎn)擊Start，等待下載完畢，如下圖所示：
　　

                               
                　　4. EPCS的下載
　　(1)在ASP模式下
　　a) Mode切換為Active Serial Programming模式
　　b) Change File為pof文件
　　c) 點(diǎn)擊Start，等待下載完畢。因?yàn)镕lash速度比SRAM慢，因此下載相對(duì)于Flash會(huì)較慢。
　　至此，可見目標(biāo)板上的流水燈已遞增的形式循環(huán)點(diǎn)亮。
　　(2)在JTAG模式下
　　a) 用Quartus II 自動(dòng)生成的sof文件，通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換為jic文件，步驟如下：
　　i. 打開File-Convert Programming File。
　　ii. 在Programming File Type選擇jic文件。
　　iii. Configuration device中選擇目標(biāo)板對(duì)應(yīng)的EPCS型號(hào)
　　iv. File name可默認(rèn)或任意修改
　　v. 在File/Data area選中Flash Loader，然后右側(cè)點(diǎn)擊Add Device，找到自己型號(hào)的FPGA，確認(rèn)。
　　vi. 在File/Data area選中SOF Data，然后在右側(cè)點(diǎn)擊Add File，加載本工程目錄下的sof文件。
　　vii. 在File/Data area選中加載的sof文件，然后再右側(cè)點(diǎn)擊Properties，選中Compression(壓縮)，確認(rèn)。(若EPCS容量允許下，可以省略此步驟，來(lái)提高下載速度)
　　viii. 點(diǎn)擊Generate，生成jic文件，最終如下圖所示，然后Close。
　　

　　b) 打開Programming，選擇JTAG Mode。
　　c) 選擇前面生成的jic文件，選中jic文件后面的Program/Configure
　　d) 點(diǎn)擊Start，等待下載完成，如下圖所示：
　　

　　至此，可見目標(biāo)板上的流水燈已遞增的形式循環(huán)點(diǎn)亮。
　　5. 編程/配置失敗原因
　　(1)USB下載器沒有連接好或USB線太長(zhǎng)(沒插上，或者接口插錯(cuò))
　　(2)設(shè)備沒上電。
　　(3)FPGA Device型號(hào)選擇錯(cuò)誤
　　(4)EPCS型號(hào)選擇錯(cuò)誤
　　(5)布局布線不佳，導(dǎo)致下載時(shí)序錯(cuò)誤
　　(6)FPGA芯片已損壞
　　(7)EPCS芯片已損壞
　　(8)USB Bluster已損壞