Quartus-II使用教程.ppt
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1、EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,1,学习情境二:QuartusII原理图输入法,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,2,主要内容,项目任务项目目标实施步骤相关知识评价与总结,A.项目任务,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,4,【要求】应用原理图方法设计八位二进制加法器【知识点】应用原理图方法设计八位二进制加法器理解 Quartus II原理图输入法掌握 Quartus II原理图层次化设
2、计方法理解 Quartus II器件编程【重点和难点】应用原理图方法设计八位二进制加法器,下一页,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,5,2.1 工作任务的陈述与背景 2.2 完成工作任务的引导2.3 相关技术基本知识与基本技能2.4 小结,上一页,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,6,一、任务的陈述 设计一个八位二进制加法器:要求在Quartus II 8.1软件平台上用原理图方式和层次化方法设计出一个八位二进制加法器,并通过编译及仿真检查设计结果。二、任
3、务的背景 加法器是数字系统中的基本逻辑器件,也是最基本的数字算法,无论乘法、减法、除法或FFT运算最终也要分解为加法运算。因此,加法器的设计是一个最基础的设计之一。,2.1 工作任务的陈述与背景,返 回,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,7,下一页,2.2 完成工作任务的引导,一、资讯 为了完成八位二进制加法器的设计,首先要进行以下几点的准备工作:1.了解加法器及相关基本知识 半加器的定义、真值表、逻辑表达式、元件符号;全加器的定义、真值表、逻辑表达式、元件符号;多位加法器的构成方式、特点。通过对加法器相关知识的阅读和分析,
4、思考用于什么方式进行八位二进制加法器的设计。2.Quartus 8.1软件的基本使用 查阅相关书籍、网页资料,掌握Quartus8.1软件的基本使用方法。,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,8,下一页,上一页,3.理解层次化设计的方法 为了使设计八位的二进制加法器变得容易理解且易于设计,那么采用层次化的方法设计就能使设计变得条理清晰,简单易懂,如何用Quartus8.1软件进行层次化设计以及设计原理图的时候,如何把层次的关系理好,这是一个要思考的问题。二、计划 根据上节中的知识,制订设计方案如图2-1所示。三、决策 从方案上
5、看,设计方案至少有3种,下面来对这3种方案进行分析:一般来说,多位加法器的构成方式主要分为并行进位和串行进位两种。并行进位一般来说速度快、占用资源多;而串行进位一般速度慢、,2.2 完成工作任务的引导,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,9,下一页,占用资源少。同时实验表明,四位二进制并行加法器和串行级联加法器占用几乎相同的资源。这样,多位数加法器由四位二进制并行加法器级联构成是较好的选择。因此,采取第一种方案是实际设计中较好的选择,但是,由于本书的是针对初学者,考虑到浅显易懂的宗旨,我们在设计的时候主要介绍第一种设计方法,只
6、在章节后对第一种设计方法作简略的介绍。四、实施 根据第一种设计方案,首先,制作底层半加器,根据数字电路中组合逻辑电路的设计方法,根据定义,列真值表,写逻辑表达式,画出它的逻辑电路图,然后用原理图方式(软件的使用,请参看本书3.3示节)进行半加器的设计。如图2-2所示。,2.2 完成工作任务的引导,上一页,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,10,编译通过后,生成半加器的元件符号(图2-3),以便设计全加器时调用。同理,再进行一位全加器的设计,如图2-4所示。编译后,生成全加器的元件符号(图2-5),以便设计八位加法器时调用。采
7、用串行进位的方式,进行八位二进制加法器的设计,如图2-6所示。编译正确后,即完成了八位二进制加法器的前期设计工作。,下一页,上一页,2.2 完成工作任务的引导,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,11,五、检查 Quartus 8.1软件的编译工具,主要是检查原理图或程序语法上是否有错误,但不能验证逻辑关系是否有错误,验证所设计的电路是否符合设计的要求,需要利用仿真工具进行波形仿真。下面对八位二进制加法器的各个底层模块和顶层模块进行仿真,以验证所设计的原理图逻辑上是否符合设计的要求。半加器仿真波形如图2-7所示。全加器仿真波形
8、如图2-8所示。八位二进制加法器仿真波形如图2-9所示。可以看到,所设计的八位二进制加法器完全符合要求。如果有条件,可以把源代码下载到硬件中做最后的验证。,下一页,上一页,2.2 完成工作任务的引导,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,12,六、评估 采用串行进位的方式所设计的八位二进制加法器在编译后,可以看到它的延时情况,如图2-10所示。可以看到,比如管脚 a0 到管脚 sum 7 产生了20.501 ns的延时,那么,之前我们讨论到,采用图2-1所示的方法一进行的八位二进制加法器的设计是最优的设计方案,下面,简单介绍方案
9、一的设计方法,并与方案一进行比较,以突出优劣。首先,进行四位并行加法器的设计,逻辑图如图2-11所示。使用Quartus 8.1软件,用原理图的方式设计出四位二进制并行加法器的电路图,如图2-12所示。,下一页,上一页,2.2 完成工作任务的引导,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,13,返 回,上一页,仿真的波形图如图2-13所示。然后用串行的方式设计出八位二进制加法器的原理图,如图2-14所示。仿真的波形图如图2-15所示。采用方案一所设计的八位二进制加法器的延时情况如图2-16所示。可以看到管脚 A0 到管脚 S7 所产
10、生的延时是16.167 ns,与之前方案中相同管脚所产生的20.501 ns减少了4.334 ns,用两个四位并行加法器所构成的八位加法器所产生的延时示于用串行进位构成的八位加法器。,2.2 完成工作任务的引导,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,14,一、Quartus原理图输入法 应用数字逻辑电路的基本知识,使用Quartus原理图输入法可非常方便地进行数字系统的设计。应用Quartus原理图输入法,还可以把原有的使用中示规模的通用数字集成电路设计的数字系统移植到FPGA或CPLD中。下面以一个二人表决器的设计为例说明Qu
11、artus原理图输入法的使用方法。(一)建立工程文件夹 1.新建一个文件夹作为工程项目目录 首先在计算机中建立一个文件夹作为工程项目目录,此工程目录不能是根目录,比如D:,只能是根b录下的b录,比如D:EDA _book codeChapter3BiaoJueQi。,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,15,2.建立工程项目 运行Quartus 软件,执行File=New Project Wizard 命令,建立工程,如图2-17所示。在图2-18界面中单击Next按钮。在所弹出的图
12、2-19 New Project Wizard对话框中,填写Directory,Name,Top-Level Entity等项目。其中第一、第二、第三个文本框分别是工程项目目录、项目名称和项目顶层设计实体的名称。单击Next按钮,出现添加工程文件的对话框,如图2-20所示。若原来己有文件,可选择相应文件,这单直接单击Next进行下一步,选择FPGA器件的型号,如图2-21所示。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,16,在Family下拉框中,根据需要选择一种型号的FPGA,
13、比如Cyclone系列FPGA。然后在“Available devices:”中根据需要的FPGA型号选择FPGA型号,比如“EP1C3T144C8”,注意在Filters一栏中选中“Show Advanced Devices”以显示所有的器件型号。再单击Next按钮,出现如图2-22所示对话框。对于弹出的其他EDA工具的对话框,由于我们使用Quartus 的集成环境进行开发,因此不要作任何改动。单击Next进入工程的信息总概对话框,如图2-23所示。单击Finish按钮就建立了一个空的工程项目。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be
14、 entered by Header and Footer,17,(二)编辑设计图形文件 1.建立原理图文件 执行File=New 命令,弹出新建文件对话框,如图2-24所示。如图2-25所示,Quartus 支持6种设计输入法文件:“AHDL File”,是AHDL文本文件;“Block Diagram/Schematic File”,是流程图和原理图文件,简称原理图文件;“EDIF File”,是网表文件;“SOPC Builder System”,是可编程片上系统的编辑系统;“Verilog HDL File”,是Verilog HDL文本文件;“VHDL File”,是VHDL文本文件
15、。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,18,“Block Diagram/Schematic File”,按OK即建立一个空的原理图文件。执行File=Save as命令,把它另存为文件名是“BiaoJueQi”的原理图文件,文件后缀为.bdf。将“Add file to current project”选项选中,使该文件添加到刚建立的工程中去,如图2-26所示。2.编辑输入原理图文件 图形编辑界面如图2-27所示,其右侧的空白处就是原理图的编辑区,在这个编辑区输入如图2-
16、28所示的BiaoJueQi原理图。(1)元件的选择与放置 在原理图编辑区的一个位置双击鼠标的左键,将弹出Symbol对话框,或单击鼠标右键,在弹出的选择对话框中选择Insert=Symbol,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,19,.,也会弹出Symbol对话框。不要选中Symbol对话框中Repeat-insert mode(重复-插入模式)和insert symbol as block(作为流程图模块插入符号)复选框,即采用默认的一次性插入作为原理图元件的符号。用单击
17、的方法展开Libraries栏中的元件库,如图2-29所示,其中primitive s为基本元件库,打开logic子库,单面是常用的与门、或门和非门等门电路。在图2-30中,选择其中的二输入与门元件 and2,然后单击OK按钮。出现如图2-31所示的图样。将该图样移到编辑区合适的地方左击鼠标,就可放置一个二输入与门元件,如图2-32所示。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,20,右击与门元件符号,在出现的菜单中选择Copy命令,如图2-33所示。将鼠标移到编辑区合适的地方右
18、击鼠标,在弹出的菜单中选择Paste命令,如图2-34所示。就可通过复制-粘贴的方法获得另两个二输入与门元件,如图2-35所示。用相似的方法选择放置一个二输入或门元件符号,如图2-36所示.再打开primitives基本元件库的pin子库,如图2-37所示。选择、放置三个输入管脚元件input和一个输出管脚元件output元件到编辑区内,如图2-38所示。(2)连接各个元件符号 把鼠标移到一个input元件连接处,将会出现图2-39所示的图样。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Foot
19、er,21,单击鼠标左键,移到要与之相连的与门元件的连接处,松开鼠标即可连接这两个要连接的元件,如图2-40所示。用同样的方法可按要求连接其他元件。(3)设定各输入输出管脚名 将鼠标移到一个input元件上双击,将会弹出如图2-41所示的管脚属性编辑对话框。在Pin name文本框中填入管脚名a。用相似的方法设定其他管脚名。完成的电路图如图2-28所示。在Quartus 流程图和原理图文件中,除了使用原理图元件符号外,还可以使用流程图模块,对于初学者可先掌握原理图元件符号的使用,以后再探讨流程图模块的使用,这里对流程图模块不做介绍。,下一页,上一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技
20、术,Doc.number to be entered by Header and Footer,22,在流程图和原理图输入法编辑界面中的左边,有供编辑输入时使用的工具箱,各个工具的功能如图2-42所示。(三)编译设计图形文件 完成原理图编辑输入后,保存设计图形文件,就可编译设计图形文件。执行Processing=Start Compilation,如图2-43所示,进行编译。编译结束后,会出现如图2-44所示的对话框,对话框会显示编译的错误和警告的情况。若有错误,则可先双击编译器界面下方出现的第一个错误提示,可使第一个错误处改变颜色。检查纠正,第一个错误后保存再编译,如果还有错误,重复以上操作
21、,直至最后通过。最后通过时应没有错误提示但可有警告提示,如图2-44所示。,上一页,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,23,可以通过查看编译报告了解有关情况,比如定时分析情况,图2-45所示是编译报告中关于每个输出信号对输入信号的延迟时间的报告。以上是使用Quartus 编译器默认设置进行的编译方法,还可以先根据需要进行进一步的编译设置,然后再编译,具体方法参考Quartus 帮助文档。(四)时序仿真设计文件 1.新建用于仿真的波形文件 如图2-46所示,Quartus 可建立和编
22、辑的文件有器件设计文件“DeviceDesign File”、其他文件“Other File”两类。器件设计文件“Device Design File”有6种,以上已做介绍,用于仿真的波形文件则属于其他文件“Other File”。,上一页,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,24,执行File=New,如图2-46所示,选择“Other Files”标签中的“Vector WaveformFile”(波形文件),然后单击“OK”确定。出现波形文件编辑器,如图2-47所示。在图2-3
23、1中鼠标所在处单击鼠标右键,出现图2-48所示菜单,选择Insert Node or Bus命令。出现如图2-49所示的对话框,单击Node Finder按键。在出现的图2-50所示的对话框中单击List按键。选择需要的输入输出引脚,如图2-51所示。如图2-52所示,单击选中的按键,选中需要的输入输出引脚。然后,单击两次确定按钮,出现如图2-53所示的画面。,上一页,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,25,2.设置仿真时间 执行Edit=End Time命令,设置合适的时间,如图
24、2-54和图2-55所示。执行Edit=Grid Size命令,设置时间单位为100 ns,如图2-56和图2-57所示。3.设置输入信号波形 单击工具箱中缩放工具按钮,将鼠标移到编辑区内,单击鼠标,调整波形区横向比例,如图2-58所示。单击工具箱中的选择按钮,然后在要设置波形的区域上按下鼠标左键并拖动鼠标,选择要设置的区域,如图2-59所示。,上一页,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,26,单击工具箱中高电平设置按钮,将该区域设置为高电平,如图2-60所示。用相似的方法设置其他区
25、域的波形,如图2-61所示,注意图2-61波形与真值表相对应。4.进行功能仿真 设置输入信号后,保存文件,文件名与原理图名一致。执行Processing=Start Simulation命令,进行仿真,如图2-62所示。仿真结果如图2-63所示 认真核对输入输出波形,可检查设计的功能正确与否。,上一页,下一页,2.3 相关技术基本知识与基本技能,EDA技术,Doc.number to be entered by Header and Footer,27,(五)生成元件符号 执行File=Great/Update=Great Symbol Files for Current File命令,将本设
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