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【入门教程一】基于DE2-115的My First FPGA 工程

【入门教程一】基于DE2-115的My First FPGA 工程
1.1. 概述
这是一个简单的练习, 可以帮助初学者开始了解如何使用Intel Quartus 软件进行 FPGA 开发。
在本章节中,您将学习如何编译 Verilog 代码,进行引脚分配,创建时序约束,然后对 FPGA 进行编程,驱动开发板上8 个绿色 LED 的其中一个。您将使用一个 50MHz 的时钟输入(来自 板载晶振)来驱动计数器,并将LED 指定给其中一个计数器的输出位。
教程级别 初学者
1.2. 准备工作
硬件
Terasic DE2-115 套件
基于 Cyclone IV  FPGA 芯片。
作为扬名海内外的DE2开发板的升级款,DE2-115凭借功耗低、逻辑资源多、1存储器容量大、DSP功能、以及接口丰富等特性,可满足用户对多媒体、高品质图像处理、数字信号处理等各类开发要求,深受国内外高校师生的青睐。到目前为止,成千上万片的DE2-115已经在全球千余所名校实验室里“安家”,扮演着数字逻辑、EDA、数字系统设计等多项课程的“实力派网红”!主角儿,可谓是FPGA 教育界的新一代。
软件
Intel Quartus Prime 软件套件 Lite
此版本 FPGA 设计软件非常适合初学者,因为它可以免费下载而且不需要任何许可文
:安装文件较大(几千兆字节),而且需要花费很长时间才能下载和安装。为了最大
限度减少下载时间和所需的磁盘空间,我们建议您只下载本练习中所需的项目。取消选
中的“ Select All , 仅选择 Quartus Prime Cyclone V device support 。如下图。
当下载并安装完 Intel Quartus 软件,您可以开始准备创建工程。
? 为什么 Intel Quartus 软件下载如此之大(请参考 1.5 章节的解释)
:本文档中的截图基于 v17.1 。使用较早版本或更高版本的 Intel Quartus 软件时,用 户体验可能有所差异。
1.3. 创建 FPGA 工程
步骤 1. 创建 Intel Quartus 软件工程
1a. 打开 Intel Quartus Prime 软件套件 Lite 版本
1-2 Intel Quartus Prime 软件窗口
4 1b. 打开 New Project Wizard
1-3 点击 New Project Wizard 按钮
1c. Introduction 对话框下点击 Next
1-4 Introduction 对话框
5 1d. Directory Name Top-Level Entity
选择目录,用于存放工程。直接在桌面新建一个my_first_fpga的文件夹,并将工程路径指定到这个文件夹,工程名称和顶层实体都取名为my_first_fpga:
夹。点击 Next
1-5 工程位置明细
此工程目录用于本示例教程,但对于以后创建新的工程我们不做推荐。
? 以后的工程文件放在哪里 (请参考 1.5 章节的解释)
6 1e. 工程类型
继续选择Next,选择 Empty Project ,然后点击 Next
1-7 Project Type 对话框
1f. 添加文件
此处不必添加任何文件。点击 Next
1-8 Add Files 对话框
7 1g. Family, Device & Board Settings
:您可能需要展开窗口查看更多器件名称。
选择以下器件:
Family : Cyclone IV E
Device name : EP4CE115F29C7
:为了选择指定的器件,您需要点击向上 / 向下箭头,滚动器件支持清单直到 发现 EP4CE115F29C7 。或者您可以在 Name filter 框中输入器件名称,以缩小器 件清单。您也可能要展开 Name 区域查看整个器件名称。
1-9 Family Device 对话框
点击 Next
1h. EDA Tool Settings
我们将使用默认的 EDA 工具和设置,所以不需要改变。点击 Next
8 1-10 EDA Tools 对话框
1i. Summary
点击 Finish
1-11 Summary 对话框
9 将显示以下窗口。
1-12 Your First Project 窗口
步骤 2. 创建 HDL 文件
硬件描述语言( HDL
我们以 Verilog 作为 HDL 来使用。如果您熟悉 C 编程语言但对于 HDL 还是新 手,Verilog C 相似。
2a. 前往 File 选项( Quartus 软件主窗口),点击 New 。选择 Verilog HDL File ,然 后点击 OK
1-13 选择 New Verilog HDL File
10 2b. 选择 File > Save As ,选择 my_first_fpga 作为文件名。这是顶层文件名(my_first_fpga.v)。点击 Save
1-14 保存 Verilog HDL 文件
步骤 3. 设计 Verilog 模块
3a. my_first_fpga.v 文件内容如下:
  1. module my_first_fpga(
  2. input wire clk, // 50MHz input clock
  3. output wire LED // LED ouput
  4. );
  5. // create a binary counter
  6. reg [31:0] cnt; // 32-bit counter
  7. initial begin
  8. cnt <= 32'h00000000; // start at zero
  9. end
  10. always @(posedge clk) begin
  11. cnt <= cnt + 1; // count up
  12. end
  13. //assign LED to 25th bit of the counter to blink the LED at a few Hz
  14. assign LED = cnt[24];
  15. endmodule
拷贝如上代码到 my_first_fpga.v 文件中:
1-15 在文本编辑器中粘贴 Verilog HDL 代码
3b. Analysis & Synthesis
右键点击 Analysis & Synthesis ,然后点击 Start ,对 Verilog 代码执行语法检查和
综合。
或者直接点击Task窗格的Analysis & Synthesis如果您没有看到 Task 窗格,请到 View 菜单选择 Utility Windows ,然后选 择 Tasks
再或者直接点击如下如的按钮进行Analysis & Synthesis:
1-16 开始 Analysis & Synthesis
12 ? Analysis & Synthesis 过程中发生了什么?(请参考 1.5 章节的解释)
如果该过程成功完成, Analysis & Synthesis 旁边将显示一个绿色勾型标记。如果在该过程
中提示有错误,请检查您的 Verilog 代码语法 , 确保与上述代码模块完全一致。
1-17 Analysis 完成
步骤 4. 选择引脚分配
4a. Quartus 顶部导航栏,选择 Assignments > Pin Planner
1-18 Pin Planner 窗口
请注意, input (clk) output (LED) Node Name 下面已经列出,因为您已经运行
Analysis & Synthesis
1-19 Pin Planner Location 设置
4b. 依次点击每一个引脚,使 Location 列突出显示,然后输入以下表格中的 LED 和 clk 信号的引脚位置。其余列会自动填充数据(目前保持 默认值即可)。
1-20 Pin Planner 全部设置完成
其实上面表格的引脚分配信息来自DE2-115_v.x.x.x_SystemCD\DE2_115_schematic\de2-115_mb.pdf文件或者来自DE2-115_v.x.x.x_SystemCD\\DE2_115_user_manual\DE2_115_User_manual.pdf:
4f. 关闭 Pin Planner Pin Planner 退出时会自动保存修改。
步骤 5. 创建 SDC 文件
编译 Verilog 代码之前,您需要为设计提供时序约束。您将创建 SDC(Synopsis
Design Constraints) 文件,其中包含有指示 Quartus 软件如何关闭设计中的时序的指
令。如果没有这个文件的话,您将在编译过程中遇到警告消息,因为 IntelQuartus
软件不知道如何关闭设计中的时序。
5a. my_first_fpga  工程目录下创建 my_first_fpg.sdc 文件。与 Verilog 文件( .v 扩展文件)在同一
个目录下。将 如下 文件内容拷贝到 my_first_fpg.sdc 文件。
  1. # inform quartus that the clk port brings a 50MHz clock into our design so
  2. # that timing closure on our design can be analyzed
  3. create_clock -name clk -period "50MHz" [get_ports clk]
  4. # inform quartus that the LED output port has no critical timing requirements
  5. # its a single output port driving an LED, there are no timing relationships
  6. # that are critical for this
  7. set_false_path -from * -to [get_ports LED]

15 5b. 保存 blink.sdc 文件。
? 什么是 SDC 文件,为什么需要它(请参考 1.5 章节的解释)
1-21 SDC 文件位置
5c. 现在把该 SDC 文件添加到 Intel Quartus 软件工程。选择 Project > Add/Remove
Files in Project . 在出现的 Settings 对话框中,点击 File name 文本框右侧的 “…”
浏览按钮。显示文件浏览对话框。选择 blink.sdc 文件,并点击 Open 按钮关闭
该对话框。这时候 blink.sdc 文件会在工程文件清单里,点击 OK 按钮关闭
Settings 对话框。
步骤 6. 编译 Verilog 代码
6a. 右键点击 Compile Design ,然后点击 Start . 这些工具会对设计进行综合、布局
布线、组合和执行时序分析。因为只有少数代码行,编译只需花几分钟就可完
成。
? 布局布线过程中发生了什么(请参考 1.5 章节的解释)
? Assembler 过程中发生了什么(请参考 1.5 章节的解释)
? 什么是时序分析(请参考 1.5 章节的解释)
16 1-22 编译设计
编译完成后,将会出现类似于如下的总结报告。
1-23 编译总结
编译完 Verilog 代码后,就可以对 FPGA 进行编程。
步骤 7. FPGA 编程
最后一步就是对 FPGA 进行编程。
FPGA 进行编程,需要通过 USB Blaster 端口将开发板与电脑连接。
17 7a. 通过 USB Blaster  端口将开发板与电脑连接。
7b. 开发板连接电源
7c. 右键点击 Program Device (Open Programmer) 打开 Programmer 窗口。
1-24 打开 Quartus 软件的 Programmer 工具
7d. 选择 Hardware Setup
1-25 硬件设置
Currently selected hardware 的下拉项中选择 USB-Blaster[USB-0] ,然后点击 Close
1-26 Cable 选择
7e. 添加 .sof 文件
右键点击 EP4CE115F29 器件的 File 栏,选择 Change File
1-29 Change File
7g. 导向 output_file 文件夹,选择 my_first_fpga .sof ,然后点击 Open
20 1-30 选择 .sof 文件
这里的 my_first_fpga.sof 是配置文件, SRAM Object Files (.sof 文件 ) 是二进制文件包含
配置 SRAM-based 器件的数据,我们的 FPGA 是基于 SRAM 的。 Intel Quartus
件的 Program Device ( 也称为 Quartus Programmer) 查看 SOF 文件并为 FPGA
件获取下载的 bit stream
7h. 勾选 Program/Con fi gure ,然后点击 Start
1-31 开始编程
21 步骤 8. 观察闪烁的 LED
如果 Progress 进度显示 100% (Successful) LED[0] 将闪烁。
1-32 编程成功
1-33 LED 闪烁
1.4. 拓展实验
更改闪烁频率
到此,您已经获得一个成功的 LED 闪烁工程,可以使用计数器的不同 bit 来修改 LED 的闪烁 22频率。 1HZ 1 次每秒( 1 秒一个周期),以 1HZ 的频率闪烁意味着 LED 每秒闪烁一次。 2HZ 就 是LED 每秒闪烁 2 次。 0.25HZ 就是指每 4 LED 闪烁一次(慢闪)。使用计数器更高的 bit 获得 更慢的闪烁,使用低位的bit 可以获得更快闪烁(例如 cnt[22] )。测试不同的计数器位来观察 LED闪烁情况。
时钟和计数器公式
cnt[n] 其中 n 等于计数器位
2
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