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1、Altera FPGA的设计流程的设计流程贺 光 辉清华大学电子工程系1目标目标掌握掌握FPGAFPGA的标准设计流程和工具的标准设计流程和工具用Modelsim进行功能级仿真并诊断RTL Code用Quartus II做设计综合和布局布线用FPGA Mega-functions做设计返标SDF并运行门级的仿真掌握掌握FPGAFPGA的时序约束的时序约束了解了解FPGAFPGA的设计原则的设计原则2提纲提纲FPGAFPGA概要概要FPGAFPGA的设计流程的设计流程用用ModelsimModelsim进行仿真和调试进行仿真和调试用用QuartusQuartus II II进行时序分析、综合等进
2、行时序分析、综合等FIRFIR滤波器的设计实例滤波器的设计实例3FPGA概要概要4FPGA的优点集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法，十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间布局布线容易，设计过程相当于只有ASIC设计的前端研发费用低不需要投片费用5FPGA的应用前景的应用前景通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用 减少电子系统的开发风险和开发成本 缩短上市时间（time to market） 通过在系统编程、
3、远程在线重构等技术降低维护升级成本系统的原型实现ASIC的原型验证ASICASIC常用常用FPGAFPGA进行原型机验证进行原型机验证6CPLD与与FPGA的区别的区别CPLDFPGA内部结构ProducttermLookup Table程序存储内部EEPROMSRAM，外挂EEPROM资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富集成度低高使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法速度慢快其他资源EAB（嵌入式逻辑块），锁相环保密性可加密一般不能保密7CPLD还是还是FPGA ？ 复杂组合逻辑：CPLDCPLDPLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至2030多个组合逻辑输入 复杂时
4、序逻辑：FPGAFPGAFPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是成千上万8推荐书籍推荐书籍VerilogVerilogVerilog数字系统设计教程数字系统设计教程 夏宇闻 北京航天航空大学出版社硬件描述语言硬件描述语言VerilogVerilog 刘明业等译 清华大学出版社 FPGA基于基于FPGAFPGA的嵌入式系统设计的嵌入式系统设计 任爱锋 西安电子科技大学出版社基于基于FPGAFPGA的系统设计（英文版）的系统设计（英文版） Wayne Wolf 机械工业出版社 IC设计Reuse methodology manual for system-on-a-chip des
5、ignsReuse methodology manual for system-on-a-chip designs 3rd ed. Michael Keating, Pierre Bricaud. . 片上系统片上系统:可重用设计方法学可重用设计方法学沈戈,等译电子工业出版社, 2004Writing Writing testbenchestestbenches : functional verification of HDL : functional verification of HDL models / models / JanickJanick Bergeron Bergeron Bo
6、ston : Kluwer Academic, c2000 9推荐文章推荐文章http:/www.sunburst- /Verilog Coding Styles For Improved Simulation Efficiency State Machine Coding Styles for Synthesis Synthesis and Scripting Techniques for Designing Multi-Asynchronous Clock Designs Synchronous Resets? Asynchronous Resets? I am so confused!N
7、onblocking Assignments in Verilog Synthesis, Coding Styles That Kill! 10FPGA的设计流程的设计流程11目标目标完成本单元的学习后你将会列出FPGA设计过程的步骤（以Altera的FPGA为设计例子）用缺省的软件选项来实现一个FPGA的设计Quaturs IIModelsim12FPGA的设计流程的设计流程FPGAFPGA的设计流程的设计流程用ModelSim进行仿真用Quartus II进行综合和时序分析用Quartus II进行布局布线、调试和下载13FPGA设计流程设计流程综合综合 - Translate Desig
8、n into Device Specific Primitives - Optimization to Meet Required Area & Performance Constraints - Synplify, Quartus IIDesign Specification布局布线 - Map Primitives to Specific Locations inside Target Technology with Reference to Area & Performance ConstraintsDesign Entry/RTL Coding - Behavioral or Stru
9、ctural Description of DesignRTL仿真仿真 - Functional Simulation (Modelsim, Quartus II) - Verify Logic Model & Data Flow (No Timing Delays) LEM512M4KI/O14FPGA设计流程设计流程时序分析时序分析 - Verify Performance Specifications Were Met - Static Timing Analysis门级仿真门级仿真 - Timing Simulation - Verify Design Will Work in Tar
10、get TechnologyPC Board Simulation & Test - Simulate Board Design - Program & Test Device on Board - Use SignalTap II for Debuggingtclk15系统规划和预算系统规划和预算系统功能的总体规划：功能集的定义；端口的定义；模块的基本划分和功能定义：每个模块应该完成的功能；模块之间的接口定义；模块间通讯的问题一定要考虑好，硬件通信的成本一般比较大。16设计的整体规划设计的整体规划设计规模的初步估计，大致应该选择哪一层次的芯片；设计时序的宏观规划：频率和时钟结构；可能的关键路
11、径，着重优化；模块的进一步细化，考虑可重用性等的规划：可以考虑基本单元，比如加法、乘法器和寄存器等。设计文档化非常重要17设计实现设计实现用电路框图或者HDL描述实现自己的设计：简单的设计可以用电路框图；大型复杂的一般倾向于用HDL描述；HDL描述和计算机编程中的高级语言描述有很大不同，每一个描述都要考虑硬件的实现能力，是不是可以综合的等等，目前HDL语言标准中仍然有不能被综合的语法，这些要尤其注意。18功能仿真功能仿真对逻辑功能进行验证：不考虑时序问题，认为门都是理想门，没有延时；详细一些的可以认为门延时都是一样，而忽略互连线的延时。RTL代码代码调用模块的调用模块的行为仿真模行为仿真模型型
12、测试数据测试数据测试程序测试程序（test bench）19逻辑综合逻辑综合通过映射和优化，把逻辑设计描述转换为和物理实现密切相关的工艺网表：RTL代码调用模块的黑盒子接口设置综合目标和约束条件EDIF网表（netlist）HDL网表（netlist）20布局布线布局布线将综合生成的网表，在FPGA内部进行布局布线的设计，并最终生成用于下载的二进制配置文件；EDIF网表网表（netlist）调用模块的综合模型设置布局布线约束条件HDL网表（netlist）SDF文件（标准延时格式）21时序逼近时序逼近流程是一个推荐的设计方法可以帮助设计满足它们的时序目标22门级仿真门级仿真HDL网表（netl
13、ist）SDF文件（标准延时格式）测试数据测试数据FPGA基本单元仿真模型测试程序(test bench)23SDF 文件文件Industry Standard FormatAutomatically Generated When You Compile a Design (Output File with Extension .sdo)Contain Timing InformationDevice DelaysInterconnect DelaysPort DelaysPath DelaysTiming ChecksCan be Back-annotated to a Design for
14、 Accurate Model of Delays24物理验证物理验证将生成的二进制配置文件下载到FPGA上，进行实际的功能和时序的测试；Altera （.sof文件） Xlinx (.bit 文件)，由于FPGA常常是作为整个系统一部分，因此还应该将FPGA放到整个系统中进行验证，整个系统工作正常，才算完成了开发过程。25用用ModelSim仿真仿真26内容内容vModelSim产品简介vModelSim的用途v用ModelSim进行功能仿真v用ModelSim进行时序仿真27ModelSim产品简介（1）v由Mentor Graphics公司 的子公司Model Tech公司开发v工业上最
15、通用的仿真器之一v支持Verilog 和 VHDL仿真OEM版本允许Verilog仿真 或者或者 VHDL 仿真vModelSim/SE首要的版本，能混合仿真Verilog 和 VHDLvModelSim/XEOEM版,包含Xilinx公司的库文件vModelSim/AEOEM版,包含Altera公司的库文件28ModelSim产品简介（2）ModelSim 用户界面main主窗口:structure结构窗口process处理窗口:Signal&variable信号和变量窗口dataflow数据流窗口source源窗口Wave&list波形和列表窗口29ModelSim的用途1.RTL 仿真（
16、功能仿真） v验证设计HDL的基本逻辑功能,属于最基本的验证v仿真速度最快2.门级仿真 v采用综合软件综合后生成的门级网表v不带有布局布线后产生的时序信息3.时序仿真（后仿真）v在门级仿真的基础上加入时延文件“.sdf”文件v速度很慢，需要很长时间30用ModelSim作功能仿真(1)ModelSim 的实现方法：v交互式的命令行 (Cmd)利用控制台的命令行v用户界面 (UI)能接受菜单输入和命令行输入v批处理模式从DOS或UNIX命令行运行批处理文件31用ModelSim作功能仿真(2)基本仿真步骤：1 1 建立库2 映射库到物理目录3 编译源代码- 所有的HDL代码必须被编译4 启动仿真
17、器5 执行仿真32用ModelSim作功能仿真(3)1 建立库UI) 从主菜单里面: Design - Create a New LibraryCmd) 从main, 记录窗口:ModelSim vlib 33用ModelSim作功能仿真(4)2 映射库到物理目录UI) 从主菜单: Design - Browse Libraries Design - Create a New LibraryCmd) 从主体的记录窗口:ModelSim vmap 34用ModelSim作功能仿真(5)3 编译源代码(Verilog)UI) Design - CompilevCmd) vlog -work .v
18、.v文件按出现的顺序被编译文件的顺序或者编辑的顺序不重要v支持增量式编译(只有被改动的设计单元被编译）v缺省编译到work库例如. vlog my_design.v35用ModelSim作功能仿真(6)3 编译源代码点亮一个或多个文点亮一个或多个文件并点击件并点击 Compile36用ModelSim作功能仿真(7)4 启动仿真器UI) Design - Load New DesignCmd) vsim -lib vVHDLvsim top_entity top_architecturevVerilogvsim top_level37用ModelSim作功能仿真(8)4 启动仿真器选择库选择库
19、选择顶级选择顶级module 或或 entity/architecture38用ModelSim作功能仿真(9)5 执行仿真vUI) RunCMD) run v按timesteps指定的时间长度执行仿真39用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(10)(10)5 执行仿真(UI)选择选择 timesteps数量就数量就可以执行仿真可以执行仿真Restart 重装任何已改动重装任何已改动的设计元素并把仿真时间设的设计元素并把仿真时间设为零为零COM) restart40用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(11)(11)5 执行仿真-run 命令举例命令举例vrun 1000 从当前位置运
20、行仿真 1000 timestepsvrun 2500 ns 从当前位置运行仿真2500 nsvrun 3000 运行仿真到 timestep 300041用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(12)(12)5 执行仿真-仿真器激励v测试台 Verilog 或 VHDL代码非常复杂的仿真（交互式仿真、数据量大的仿真）vforce命令简单的模块仿真直接从命令控制台输入.DO 文件 (宏文件)42用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1313）5 执行仿真-仿真器激励.do文件v自动完成仿真步骤的宏文件库设置编译仿真强制仿真激励v能在所有的ModelSim 模式里被调用UI) Macro
21、 - ExecuteCOM) do .dov能调用其他的DO文件43用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1414）5 执行仿真-仿真器激励.do文件举例vlib workvcom counter.vhdvsim counterview *add wave /*add list /*do run.doadd wave /clkadd wave /clradd wave /loadadd wave -hex /dataadd wave /qforce /clk 0 0, 1 50 -repeat 100force /clr 0 0, 1 100run 500force /load 1 0,
22、 0 100force /data 16#A5 0force /clk 0 0, 1 50 -repeat 100run 1000cd c:mydirvlib workvcom counter.vhdvsim counterview *do stimulus.domy_sim.dostimulus.do44用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1515）5 执行仿真-仿真器激励测试台文件(test bench)v针对复杂的仿真v在测试台文件中将设计模块实例化-将测试台文件置于TOP层,调用设计模块 -在测试台文件中加载时钟激励信号,以及给部分信号赋初值v测试台文件的写法与设计模块写法有区
23、别- 一些符合语法但又无法被综合的语句(根据具体的综合工具而定),可以在测试台文件中使用45用ModelSim作功能仿真(总结)基本仿真步骤：1 1 建立库（Altera MegaFunction库）2 映射库到物理目录3 编译源代码- 所有的HDL代码必须被编译4 启动仿真器5 执行仿真# Create # Create libarylibaryvlibvlib work work# Compile the # Compile the altera_mfaltera_mf library libraryvlogvlog d:/quartus51/eda/sim_lib/altera_mf.v
24、 d:/quartus51/eda/sim_lib/altera_mf.v# Create # Create altera_mfaltera_mf library and map it to library and map it to workworkexec exec vmapvmap altera_mfaltera_mf work work# source files# source files# FIFO# FIFOvlogvlog ./core/ ./core/INFIFO.vINFIFO.v# # top_leveltop_levelvlogvlog ./ ./src/chip_to
25、p.vsrc/chip_top.vvlogvlog ./ ./src/tb_top.vsrc/tb_top.v# simulation and # simulation and testbenchestestbenchesvsimvsim -L work -L work tb_toptb_topdo do wave_tb_top.dowave_tb_top.dorun 5 msrun 5 ms46用ModelSim作时序仿真（1）时序仿真的含义：v布局布线后进行的后仿真v包含有延时信息v仿真结果可能与功能仿真不相同v除功能仿真时需要的文件以外，还需要网表文件（如time_sim.vhd或tim
26、e_sim.v）和包含延时信息的文件（time_sim.sdf文件）v在Quartus中是.vo 和.sdo文件47用ModelSim作时序仿真（2）指定SDF文件指定指定 SDF文件文件使用定时值的等级的使用定时值的等级的类型类型 (如果不是顶级如果不是顶级)48用ModelSim作时序仿真（3）vsim 命令的参数参数-t 指定仿真的时间分辨率单位可以是fs, ps, ns, ms, sec, min, hr如果用了 Verilog的 timescale指令, 将使用整个设计中的最小的时间精度可选项(缺省是 ns)-sdfmin | -sdftyp | -sdfmax =注释SDF文件可选
27、项使用实例名也是可选项; 如果没有使用, SDF用于顶级49用ModelSim作时序仿真(总结)基本仿真步骤：1 建立库2 编译Altera器件库3 映射库到物理目录4 编译综合后网表5 加入SDF文件4 启动仿真器5 执行仿真# script for # script for ModelsimModelsim post timing post timing simulation of simulation of AlteraAltera cyclone device cyclone device# by Wayne# by Wayne# set your PC environment# se
28、t your PC environmentset set modelsim_homemodelsim_home d:/edatools/Modeltech_6.1dd:/edatools/Modeltech_6.1dset set quartus_homequartus_home d:/quartus51 d:/quartus51#build work lib#build work libvlibvlib work work#add cyclone device lib and its #add cyclone device lib and its simsim modelsmodelsvlo
29、gvlog - -reportprogressreportprogress 300 -work 300 -work cyclone cyclone $ $quartus_home/eda/sim_lib/cyclone_quartus_home/eda/sim_lib/cyclone_atoms.vatoms.v程序接下页50vmapvmap cyclone work cyclone work# post simulation in # post simulation in modelsimmodelsim for for AlteraAltera devicesdevicesset set
30、design_namedesign_name chip_topchip_topset home ./impset home ./impvlogvlog ./ ./src/tb_top.vsrc/tb_top.vvlogvlog ./imp/simulation/./imp/simulation/modelsim/$design_name.vomodelsim/$design_name.vovsimvsim - -sdftypsdftyp / /tb_toptb_top/UUT=/UUT=chip_top_v.sdochip_top_v.sdo -t -t psps work.tb_topwor
31、k.tb_topdo do wave.dowave.dorun 500 usrun 500 us程序接上页51用用Quartus II 进行综合、进行综合、时序分析和布局布线时序分析和布局布线52设计流程设计流程Create a New Quartus II ProjectCompile a Design into an FPGALocate Resulting Compilation InformationAssign Design Constraints (Timing & Pin)Perform Timing Analysis & Obtain ResultsConfigure an F
32、PGA53创建一个新的工程54添加文件55Choose Device Family器件选择器件选择56管脚分配Assignments menu-Assignment Editor-Pins57Pin Planner 窗口窗口Unassigned Pins ListPackage View (Top or Bottom)Assigned Pins List58Altera的的IP工具工具IPIP的概念的概念： 用于用于ASICASIC、ASSPASSP、PLDPLD等芯片中预先设计好的常用但较复等芯片中预先设计好的常用但较复杂的电路功能模块，经过严格测试和优化，如杂的电路功能模块，经过严格测试和
33、优化，如FIRFIR滤波器、滤波器、SDRAMSDRAM控制器、控制器、PCIPCI接口等。接口等。使用使用IPIP的优势的优势：提高设计性能提高设计性能降低开发成本降低开发成本缩短设计周期缩短设计周期设计灵活性强设计灵活性强仿真方便仿真方便59IPIP的分的分类：软软IPIP、固、固IPIP和硬和硬IPIPMegafunctionsMegafunctions/LPM/LPM（免费的宏功能模块）：（免费的宏功能模块）：如算术组件、门、如算术组件、门、I/OI/O组件、存储器、存储组件组件、存储器、存储组件MegaCoreMegaCore（需要授权的）：（需要授权的）：如数字信号处理类、通信类、
34、接口和外设类、如数字信号处理类、通信类、接口和外设类、微处理器类微处理器类Altera的的IP工具工具60下载所要的MegaCore通过MegaWizard的界面打开IP核的统一界面IP Toolbench定制要生成的IP的参数产生IP的封装和网表文件，以及功能模型对IP的RTL模型做功能仿真将IP的封装和网表文件放在工程中，并实现设计购买IP许可证IP使用的步骤使用的步骤61MegaWizard Plug-In ManagerEases Implementation of Eases Implementation of MegafunctionsMegafunctions & IP & IP
35、Tools MegaWizard Plug-In Manager62MegaWizard 示例示例 Multiply-AddPLLLocate Documentation in Quartus II Help or the Web63时序分析64Timing Assignments5 types of timing assignments exist: fmax, tsu, thold, tco, tpdThese timing assignments can be assigned globally or individually65Register的参数的参数DClkQDQClktc-qt
36、holdTtsutsu:建立时间，在时钟有效沿到来之前寄存器数据输入应保持稳定的时间，它间接约束了组合逻辑的最大延时thold:保持时间，在寄存器数据输入的引脚的数据在系统有效时钟沿到来后需要保持稳定的时间，它间接约束了组合逻辑的最小延时tc-q:寄存器从有效时钟沿到来到输出有效的最大时间违反建立或保持时间，都会造成触发器工作异常，产生Metastability。为了可靠工作，在建立时间开始到保持时间为止的这段时间内，触发器的输入端信号不应发生变化。66Clock Skewl在同一个时钟域或者两个时钟域之间时钟信号到达寄存器的最大时间差别l产生原因主要有：时钟源到达各端点的路径长度不同，各端点
37、负载不同，时钟网络中插入的缓冲器不同等l在两个点之间，可以大体认为Skew是固定的值l注意：Clock Skew影响的是时钟的到达时间不同，也就是时钟发生相移，并不影响时钟的周期宽度67Clock Skew（2）68时钟参数满足的条件l时钟周期应大于寄存器延时、组合逻辑延时、和目标寄存器建立时间的和l本寄存器有效输出通过组合逻辑的延时应该大于目的寄存器的保持时间要求69Fmax Assignment70Fmax Assignment: Single/Multiple Clock71Clock Period = Clock-to-Out + Data Delay + Setup Time - C
38、lock Skew = tco + B + tsu - (E - C)fmax = 1/Clock PeriodBCtcotsuE Clock PeriodClock Setup (fmax)Worst-Case Clock FrequencyWorst-Case Clock Frequency72Select Clock SetupWorst fmaxFmax Values Are Listed in Ascending Order; Worst Fmax Is Listed on the TopSource, Destination Registers & Associated Fmax
39、ValuesClock Setup (fmax) Tables73fmax Analysis DetailsData Delay (B)Source Register Clock Delay (C)Setup Time (tsu)BCtcotsuE Clock PeriodDestination Register Clock Delay (E)Clock to Output (tco)10.384 ns + 7.445 ns + 0.180 ns - 0.000 ns= 124.86 MHzMessages Window (System Tab) in Quartus II74 I/O Ass
40、ignments:Tsu, Tco75Timing AssignmentsWhat can be tagged with a timing assignments?Registers (all)Clock Pins (all)Input Pins (tsu, th)Output Pins (tco)Bidirectional Pins (all)76Timing SettingsEasy way to enter timing assignmentsConsolidates all timing assignments in one menu Individual clock settings
41、 OR overall circuit frequency Default system timing tsu th tco tpd Default external input/output delays Enable/Disable timing analysis during compilation Timing driven compilation77Reporting Timing ResultsTiming information is part of the Compilation Report Summary Timing Analyses fmax (not incl. de
42、lays to/from pins) or fmax (incl. delays to/from pins) Register-to-Register Table tsu (Input Setup Times) th (Input Hold Times) tco (Clock to Out Delays) tpd (Pin to Pin Delays) All timing results are reported here78I/O 建立时间和保持时间建立时间和保持时间Clock delaytsu thData delaytsu = data delay - clock delay + in
43、trinsic tsuintrinsic tsu & holdth = clock delay - data delay + intrinsic th79I/O Clock-to-Output Analysis (tco)Data delaytcoClock delayclock delay + intrinsic tco + data delay = tcointrinsic tco80Time Slackslack = 期望数据到达时间 数据实际到达时间Slack为正，表示数据提前到达，此时组合逻辑延迟满足条件，Register有足够的建立时间；Slack为负，表示数据比预期的时间晚到达，
44、此时显然不满足Register的建立时间，不满足约束；81Slack Equations (Setup)Slack = Largest Required Time - Longest Actual TimeRequired Time = Clock Setup - tco - tsu + (clk- clk)Actual Time = Data Delaylaunch edgeclkclksetup latch edgeClock Setup*clktcotsuCombinatorial LogicclkRegister 1Register 2data delay82Slack Equatio
45、ns (Hold)launch edgeclkhold latch edgeClock Hold*clktcothCombinatorial LogicclkRegister 1Register 2data delaySlack = Shortest Actual Time - Smallest Required TimeActual Time = Data DelayRequired Time = Clock Hold - tco + th + (clk- clk)clk83inoutclkreg1reg2clkclkclkslack = p2p required p2p delayp2pp
46、2p required = setup relationship + clock skew tCO - tSUsetup relationship = latch edge launch edgeclock skew = clk clk launchlatchSimple Register to Register 示例示例84inoutclkreg1reg2clkslack = p2p required p2p delayp2pp2p required = setup relationship + clock skew tCO tSUsetup relationship = latch edg
47、e launch edge= 5.0 0.0 = 5.0 clock skew = clk clk 2.2660.110.082tcotsu0.0820.11= 2.521 - 2.993= 5.0 + (-0.472) 0.11 0.082= 4.336 2.266= -0.472= 4.336tcotsu= 2.072.9932.5212.9932.521Simple Register to Register 示例（示例（con）85Input Minimum DelayMinimum Delay from External Device to Altera I/OMinimum Dela
48、y from External Device to Altera I/ORepresents External Device Represents External Device tcotco + PCB Delay + PCB Clock Skew + PCB Delay + PCB Clock SkewConstrains Registered Input Path (Constrains Registered Input Path (thth) )AtcothAltera DeviceExternal DevicePCB DelaythA Input Minimum DelayInput
49、 Minimum DelaythACLKCLK86Output Maximum DelayMaximum Delay from Altera I/O to External DeviceMaximum Delay from Altera I/O to External DeviceRepresents External Device Represents External Device tsutsu + PCB Delay + PCB Clock Skew + PCB Delay + PCB Clock SkewConstrains Registered Output Path (Max. C
50、onstrains Registered Output Path (Max. tcotco) )BtcotsuAltera DeviceExternal DevicePCB DelaytcoB tCLK - Output Maximum DelaytcoOutput Maximum DelayCLKCLK87Output Minimum DelayMinimum Delay from Altera I/O to External DeviceMinimum Delay from Altera I/O to External DeviceRepresents External Device Re
51、presents External Device thth - PCB Board Delay - PCB Board DelayConstrains Registered Output Path (Min. Constrains Registered Output Path (Min. tcotco) )BtcothAltera DeviceExternal DeviceBoard DelaytcoB Output Minimum DelaytcoOutput Maximum DelayCLKCLK88Example Input Maximum DelayNotice:1)Input Pin
52、 d(6) & d(3) Timing Information Is Included with Clock Setup (fmax) Analysis2)Input Delay Has Been Added to List Path CalculationInput Maximum Delay (d) = 4 ns 89Compiling in Quartus90Compiling in Quartus (Start)91Compiling in Quartus92Done!93Download Bit File94Download Bit File into FPGA95Altera FP
53、GA配置列表配置列表配置模式典型应用被动串行模式（PS）运用增强配置芯片（EPC16，EPC8或EPC4 ）EPC1，EPC2，EPC1441，串行同步微处理器，USB接口下载电缆，MasterBlasterTM通信电缆，ByteBlasterTM II并口下载电缆或ByteBlasterMVTM并口下载电缆。主动串行模式（AS）应用串行配置芯片EPCS1，EPCS4等被动并行同步模式（PPS）并行同步微处理器配置快速被动并行模式（FPP）增强型配置芯片或8位同步并行微处理器速度为PPS模式的8倍。被动并行异步模式（PPA）采用异步微处理器，这种模式下微处理器对于目标芯片如同一个存储器。被动串
54、行异步模式（PSA）串行异步处理器JTAG模式根据 IEEE Std. 1149.1 (JTAG)引脚标准96Debug with SignalTap II97Quartus II 嵌入式逻辑分析仪特点嵌入式逻辑分析仪特点特点优点可以灵活的改变缓冲器模式在循环模式或间隔模式采样时，使每次不同的触发均能采到更加精确的数据。每个器件最高支持1024个通道可以支持多个采用通道和很宽的总线模式采样。每个器件支持128K采样存储使每个通道得到更多的采样数据。采样时钟最高可达270MHz可以采集速率更高的数据。资源使用的评价者可以评估逻辑或存储器件的资源使用情况。不需要额外费用SignalTap II l
55、ogic Analyzer 是Quartus II免费提供的。可对一个器件进行多重逻辑分析可以从一个复杂的时钟信号中分析出想要得到的数据通过一个JTAG接口可对多个器件进行多重的逻辑分析使设计者可以通过一个JTAG接口同步得到多个芯片的数据对每个信号均有10种触发模式可以捕捉到更加复杂的数据信号，更加景区的找到问题的所在。增加的编译可以在综合编译之前对逻辑分析仪进行修改。98FIR滤波器设计实例滤波器设计实例99一个综合的例子一个综合的例子FIR滤波器的设计Modelsim的使用Quartus II的使用宏功能模块的使用仿真、综合等过程及报告的查看100设计要求设计要求设计一个14阶FIR滤波
56、器，已给出滤波器系数，要求用Verilog/VHDL实现该滤波器，并且选用Altera的Stratix或Stratix II器件。要求充分利用Altera Stratix/Stratix II的器件的DSPBLOCK资源。要求每一级都一级流水线(pipeline)。能够利用Altera的megafunction。能够在Modelsim下进行仿真。选用EP2S60F484C3器件。Fmax达到270Mhz以上。 101设计难点设计难点难点在于要达到270MHz以上的频率通过插入流水线可以达到要求为了不过分的增加流水线寄存器的数量，需要对FIR滤波器的结构进行精心设计 102直接形式结构直接形式结
57、构 关键路径是关键路径是1 1个乘法器和个乘法器和2 2个加法器个加法器 流水线割集插入流水线寄存器，这样得到的关键路径是流水线割集插入流水线寄存器，这样得到的关键路径是1 1个乘法和个乘法和1 1个加法个加法 103数据广播结构数据广播结构关键路径是关键路径是1 1个乘法器和个乘法器和1 1个加法器个加法器 流水线割集插入流水线寄存器，关键路径是流水线割集插入流水线寄存器，关键路径是1 1个乘法个乘法 104设计方案选择设计方案选择寄存器数目寄存器数目关关键路径路径长度度直接形式直接形式结构构39 36个个1个乘法器和个乘法器和1个加法器个加法器数据广播数据广播结构构13 36个个1个乘法器
58、和个乘法器和1个加法器个加法器进一步流水的数一步流水的数据广播据广播结构构27 36个个1个乘法器个乘法器105FIR滤波器的结构滤波器的结构106模块划分模块划分乘法器模块乘法器模块：直接用：直接用AlteraAltera的的DSPBLOCK DSPBLOCK lpm_multlpm_mult进行例化进行例化信号名称I/O描述dataaI乘法器输入数据信号，16bit字长databI乘法器输入数据信号，16bit字长resultO滤波器输出数据信号，32bit字长 加法器模块加法器模块：直接用：直接用AlteraAltera的的DSPBLOCK DSPBLOCK lpm_add_sublpm
59、_add_sub进行例化进行例化 顶层模块顶层模块：将乘法器和加法器连接成数据广播结构的：将乘法器和加法器连接成数据广播结构的FIRFIR滤波器滤波器信号名称I/O描述dataaI乘法器输入数据信号，36bit字长databI乘法器输入数据信号，36bit字长resultO滤波器输出数据信号，36bit字长107DSP Blocks for ComplexDSP Blocks for ComplexArithmetic ApplicationsArithmetic ApplicationsWirelessWirelessFiltering & CompressionFiltering & Co
60、mpressionEncryptionEncryptionSignal ProcessingSignal ProcessingConsumerConsumerImage ProcessingImage ProcessingAudio ProcessingAudio ProcessingCompressionCompressionDataComDataComBarrel ShiftingBarrel ShiftingQoS AlgorithmsQoS Algorithms+Optional PipeliningOutput RegistersOutput MUX+ - S+ - S SInput
61、 Registers108Stratix II DSP BlocksUp 96 DSP BlocksUp 96 DSP BlocksEach Configured forEach Configured for(8) 9x9 Multipliers(8) 9x9 Multipliers(4) 18x18 Multipliers(4) 18x18 Multipliers(1) 36x36 Multiplier(1) 36x36 MultiplierCan Be Cascaded for Larger OperationsCan Be Cascaded for Larger OperationsDe
62、dicated Configurable Math CircuitryDedicated Configurable Math CircuitryMultiplier, Accumulate & Addition/SubtractionMultiplier, Accumulate & Addition/SubtractionRounding & SaturationRounding & SaturationBuilt-In Shift Register for Complete FIR Filter Built-In Shift Register for Complete FIR Filter
63、ImplementationImplementationSelectable Input, Output & Pipeline Stage RegistersSelectable Input, Output & Pipeline Stage Registers109DSP Block ArchitectureAdd/Sub/AccSummationUnitOutput RegisterXXXX+ - + - Input Register Pipeline RegisterOutput Mux110综合结果综合结果目目标器件器件EP2S60F484C3Total ALUTs338 / 48,35
64、2 ( 1 % )DSP block 9-bit elements28 / 288 ( 9 % )资源利用率源利用率速度速度最高最高时钟频率率（约束束300MHz情况下）情况下）312.89 MHz ( period = 3.196 ns )111总结总结(1)1、使用ModelSimModelSim进行功能仿真功能仿真3、使用QuartusQuartus II II对对设计进行综合综合，时序分析和时序分析和布线布线4、使用ModelSimModelSim进行后仿真后仿真5、使用QuartusQuartus II II下载文件到实际电路6、使用SignalTapSignalTap II II进行调试和数据观测112总结总结(2)数字系统设计应该明确如下观点：无论是ASIC、FPGA还是DSP，都只是一种实现手段；无论采用哪种HDL或哪种开发工具，都不能单纯从语言或工具本身作出评价；关键是看应用环境，只有选择最适合于应用的实现方式和工具才是最好的设计方案；设计应该注重硬件设计本身，只有先有了良好的设计，才可能有高效的描述和实现。数字模拟电路、HDL语言等知识和实际经验比了解软件更重要。113Thank you!Thank you!114
