1、Altera Quartus II 入门教程(基于Altera DE2板和原理图设计)

1AlteraQuartusII入门教程（基于AlteraDE2板和原理图设计）广东工业大学自动化学院电子信息科学与技术系徐迎晖2009秋目录一、FPGA简介............................................................................................1二、DE2板及Altera公司产品简介...........................................................4三、QuartusII使用基础..............................................................................8典型的设计流程.......................................................81.创建工程..........................................................92.绘制原理图.......................................................133.编译............................................................184.分配引脚.........................................................195.仿真和时序分析...................................................216.配置FPGA........................................................30巩固练习............................................................32四、进一步的学习.....................................................................................33功能要求............................................................33设计思路............................................................33方案设计............................................................34详细设计............................................................36设计的实现..........................................................37评价与改进..........................................................41课程的任务利用数字电路课程中所学的知识，采用原理图的方式设计具有某种功能要求的数字电路。将所设计的电路在Altera公司的一款可编程数字逻辑器件（一种FPGA器件，Altera公司DE2板上的核心器件）上实现，并配合DE2板上的与FPGA相连的外围器件，实现给定功能要求的硬件电路。其中从设计输入到最终的硬件实现的整个过程，都在Altera公司的集成开发软件QuartusII下完成。1一、FPGA简介FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，是一种大规模数字器件，它可由用户编程实现特定的数字电路功能（而不必通过厂家进行掩膜编程）。FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可编程逻辑器件（PLD，这个缩写有时指全部的可编程逻辑器件，有时也特指那些规模小且可以单片使用的器件）的基础上进一步发展的产物，20世纪80年代中期，为了弥补当时小规模PLD器件的不足，Altera和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展性CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）和类似于标准门阵列的FPGA，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIC）相比，它们可以被视为一种半定制电路，解决了定制电路的设计制造投入及研发周期等方面的不足。对于CPLD和FPGA，不同厂商的叫法不尽相同，有的厂商从使用方式上来划分，有的则从器件结构上来划分，并无严格的标准。一般而言，CPLD的规模较小一些，在使用上一旦编程设定好了其电路功能，即可单片使用。FPGA的规模更大一些，当前主流的FPGA在使用时不能单独工作，需要配合一片设置其电路功能的配置芯片（也有的厂商将一些规模较大的，可以单片工作的可编程逻辑器件称为FPGA）。对用户来说，从使用的角度看，由于设计工具设计方法差别不大，很多时候也可以不用严格区分。通常CPLD和FPGA都可以多次反复编程，但许多CPLD有编程次数限制甚至只能编程一次。下面简单介绍一下FPGA。自1985年Xilinx公司推出有史以来第一颗现场可编程逻辑器件至今，已经历了二十几年的发展历史。在发展过程中，以CPLD/FPGA为代表的数字系统现场集成取得了惊人的发展，FPGA从最初的1200个可利用逻辑单元，发展到现在的近百万个可利用逻辑单元和上千个用户I/O口，有的内部还集成了诸如嵌入式处理器、高速通信收发器、可配置模拟电路等。FPGA如同一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。即使在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在电路修改能力，修改调整设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA的这些优点使得它在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。目前FPGA的品种很多，主要生产厂商有Xilinx、Altera、Actel和Lattice。上图是著名市场调研公司iSuppli2007年公布的各可编程逻辑器件厂商的营收及市场总额，其中FPGA占据了可编程逻辑器件市场的大部分份额。下图则是著名市场分析机构In-Stat2006年公布的，美国半导体行业协会（SIA）所划分的世界主要地区的FPGA消费情况。总的来说，目前及今2后相当长的一段时间内，FPGA市场将保持稳定增长，并且高于半导体行业的平均水平。FPGA的基本特点主要有：●采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；●FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；●FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚；●FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；●FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA可认为是一种特殊的ASIC芯片，除具有ASIC的特点之外，还具有以下优点：●随着超大规模集成电路（VLSI）工艺的不断提高，单一芯片内部可容纳数千万个晶体管，FPGA芯片规模越来越大，所能实现的功能也越来越强，可以实现大系统的集成；●FPGA芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA的资金投入小，节省了许多潜在的花费；●用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下实现不同的功能。所以，用FPGA试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA软件包中有各种输入工具和仿真工具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势。电路设计人员使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的集成电路深层次的知识，FPGA软件易学易用，可使设计人员更能集中精力进行电路设计。因此可以说，FPGA是小批量（一般在10,000件以下）系统提高系统集成度、可靠性、快速开发产品的最佳选择之一。对于大批量应用，专用集成电路则仍具有成本上的优势。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。它们是一些具有通用性的电路模块，用户可以通过不同的配置、组合和连接方式构成自己所需的硬件电路。当前流行的FPGA结构是由存放在片内RAM中的配置数据来设置其电路工作状态的，FPGA芯片工作前需要对片内的RAM进行编程配置。通常会有多种可选的编程配置方式（典型的如通过JTAG(一种用于在电路调试和存取内部存储器的标准)、专用配置芯片、MCU等），用户可以根据情况采用不同的编程配置方式。典型的工作情况是在加电时，FPGA芯片自动将外部E2ROM（配置芯片）中的配置数据读入片内RAM中，之后FPGA芯片便处于所设计的电路工作状态。掉电后，FPGA芯片恢复成白片，内部逻辑关系消失。Actel公司的ProASIC等系列FPGA则采取的是基于Flash的方式，直接对FPGA内的控制电路功能的Flash开关编程而无需配置芯片配合，其静态功耗低，使用方便，并且抗干扰性和保密性很好。2004年以后，一些厂家推出了一些新的CPLD和FPGA，这些产品模糊了CPLD和FPGA3的区别。例如Altera公司的MAXII系列CPLD器件本质上就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以象传统的CPLD一样使用，加上规模和传统CPLD类似，所以Altera把它归作CPLD。Lattice公司的XP等系列FPGA，也使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部，在使用方法上和CPLD类似，但是因为容量大，性能和基本结构与传统FPGA相同，所以Lattice仍把它归为FPGA。不管是何种FPGA，同一片FPGA，如果使用不同的编程配置数据，就可以产生不同的电路功能。因此，FPGA能够反复使用，其使用非常灵活。目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模FPGA器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP（知识产权）库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。FPGA的主要应用领域也由通信市场主导，逐渐发展为涵盖军事与航空航天、工业控制、汽车电子、消费电子、医疗电子、广播和高性能计算等市场，其所占比重不断增加。※最后强调提醒一下大家，FPGA是一种大规模的可编程数字逻辑器件，它本身只能用来设计实现数字电路（也有少数FPGA具有少量的模拟电路资源），如果你的电路还有模拟电路功能，需要另外设计这部分模拟电路并通过数字接口电路将其和FPGA器件连接起来。此外，分立元件诸如电阻、电容、电感、二极管、三极管、显示器件等在进行FPGA设计时也不能使用，如有需要也需外接；经常提到的FPGA编程和软件编程有很大区别，前者是指对FPGA内部的那些通用电路模块，通过设置那些控制电路功能的内部开关的状态来实现用户所需的硬件电路．．．．。用户可以通过高级方式（原理图、硬件描述语言等）描述电路，然后由EDA工具软件进行翻译转换从而实现这些底层设置。4二、DE2板及