【从零开始走进FPGA】美好开始——我流啊流啊流

　　按照基于Windows的语言(C、C++、C#)等编程语言的初学入门教程，第一个历程应该是“Hello World!”的例程。但由于硬件上的驱动难易程度，此例程将在在后续章程中推出。硬件工程师学习开发板的第一个例程：流水灯，一切美好的开始。
　　本章将会在设计代码的同时，讲解Quartus II 软件的使用，后续章节中只讲软件的思想，以及解决方案，不再做过多的累赘描述。
　　一、Step By Step 建立第一个工程
　　(1)建立第一个工程，File-New-New Quartus II Project，如下图所示，OK。
　　


　　(2)Next，如下图所示，选择工程目录(不能有空格，中文路径)，同时输入工程名与顶层文件名。
　　


　　(3)若有现成的代码，可以直接选择添加入工程;否则，直接next，进入下一步，如下图所示：
　　


　　(4)根据自己的硬件设施，选择相应的设备目标器件。
　　


　　(5)Next，Finish。
　　二、工程代码设计
　　1. water_led_design工程文件结构：
　　


　　如上图所示，工程分为三个模块，分别为：
　　(1)顶层模块 ： 例化各个模块，工程的最高级别文件。
　　(2)分频模块 ： 通过分频得到固定的频率(10Hz)。
　　(3)LED显示模块： 随固定频率，来操作LED灯。
　　2. 代码设计
　　(1)warter_led.v模块设计
　　a) New-File，新建verilog文件，保存于新建在工程目录下的src文件夹中(只是为了工程文件结构组织的清晰，更善于管理)。如下图所示：
　　


　　b) 输入代码，定义输入输出接口，如下所示：
　　
module water_led

　　(

　　input clk, //global clock 50MHz

　　input rst_n, //global clock reset

　　output led_data //user led interface

　　);

　　endmodule
                               
                　　(2)clk_design.v模块设计
　　由于系统输入时钟是50Mhz，若以50MHz的速度变换LED等，人眼压根分辨不出来。因此利用分频原理，来对50MHz进行分频，而适应人眼。本模块将50MHz分频至10Hz，人眼分辨的极限是25Hz，因此10Hz能感觉得到(可以随机修改)。Led_en的频率计算公式：clk_led_en = 50_000000/(49_000000+1) = 10Hz,具体代码如下:
　　
module clk_design

　　(

　　input clk,

　　input rst_n,

　　output led_en

　　);

　　reg cnt; //49_99999,100ms

　　parameter LED_CNT = 49_999999;

　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

　　begin

　　if(!rst_n)
　　cnt
　　else if(cnt
　　cnt
　　else
　　cnt
　　end

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

　　endmodule
　　模块没有分频产生10Hz的频率，而是生成了10Hz的使能时钟，目的是防止时钟满天飞，使得FPGA 内部布局布线紊乱，影响全局功能。虽然如此简单的工程可以不用考虑，但是“习惯了严谨便成为了一种风范”，因此使用使能时钟，来对具体的时序进行操作。具体使能时钟、门控时钟的异同、优劣将会在后续章节中解说。
　　(3)led_display.v模块设计
　　根据输入的led_en使能信号，来操作led灯的效果，此处采用最简单的算法——递增进位。代码如下所示：
　　
module led_display

　　(

　　input clk,

　　input rst_n,

　　input led_en,

　　output reg led_data

　　);

　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

　　begin

　　if(!rst_n)
　　led_data
　　else if(led_en)
　　led_data
　　else
　　led_data
　　end

　　endmodule

　　(4)从新修改water_led_design顶层文件，添加相关例化模块。最后结果如下：

　　module water_led_design

　　(

　　input clk, //global clock 50MHz

　　input rst_n, //global clock reset

　　output led_data //user led interface

　　);

　　//-------------------------

　　//generater clock 10Hz

　　wire led_en;

　　clk_design clk_design_inst

　　(

　　.clk (clk),

　　.rst_n (rst_n),

　　.led_en (led_en)

　　);

　　//-------------------------

　　//set the display of led

　　led_display led_display_inst

　　(

　　.clk (clk),

　　.rst_n (rst_n),

　　.led_en (led_en),

　　.led_data (led_data)

　　);

　　endmodule
                               
                　　3. 代码编译
　　(1)通过Processing-Start Compilation，或者工具栏的图标如下：
　　


　　(2)编译结果如下，可见相关信息：
　　


　　(3)警告的分析及解决：
　　


　　a) Warming(4)如上图所示，具体解释如下：
　　i. 没有电容配置
　　ii. 没有把unused的pin设置为三态。在Assignment-Device-Device and Pin Opitions-Unused Pins，设置如下图所示：
　　


　　iii. 没有电容配置
　　iv. 可以忽略
　　


　　b) Critical Warming(5)如上图所示，具体解释如下：
　　i. 引脚没有分配IO
　　ii. 没有sdc时序约束文件
　　iii. 没有sdc约束文件
　　iv. 时序没有达到要求
　　v. 时序没有达到要求
　　出现这些警告的原因是因为Quartus II 10.1以后的版本软件，不再自带TimeQuest Timing Analyzer，只有Classic Timing Analyzer，虽然不加sdc时序约束对于一般情况也不一定会有错，但软件设计的必然会出现这样的警告。关于TimingQuest sdc，会在后续章节中阐述，此处不做具体说明。
　　关于Quartus II 警告信息分析以及零警告的处理，可以右击警告查看help，altera会告诉您相应的解决方案;此外，Bingo已上传Chinaaet“Quartus II 警告分析.pdf”，下载地址为：http://www.chinaaet.com/lib/detail.aspx?id=86271
　　初学折有不到之处可以查阅该pdf，记住，永远不要轻易忽略警告。
　　三、Modelsim-Altera仿真
　　1. 为什么要仿真
　　首先讨论两个问题：
　　(1)仿真?是真的吗?
　　仿真，只是为了模拟真实现象，测试代码的行为以及时序的正确性;当然，仿真永远是模仿的，不可能是绝对准确的，只能在一定程度上模拟真实时序，让我们的设计变得更可靠。仿真对于电路设计者，只是一个软件测试的平台，而不是实际硬件设施的测试结果。
　　(2)一定要仿真吗?
　　未必!如果你有足够的把握时序的准确性，脑子里能够完成整个电路的时序逻辑工作流程，仿真就不是那个必须的了;对于已经成型的模块，保证时序准确的情况下，何必在徒劳的仿真呢?按常理，是现有Quartus II软件，再有仿真软件的吧，Testbench只是测试程序，链接两者之间的桥梁。
　　回想，在n年前的老工程师，用block中用与非门与74系列芯片设计的原理图，要仿真似乎变得很难?那些老前辈们是通过实物的测试，不断的修正、改善，最后才得到可靠的电路。
　　因此，仿真 不是必须的。Bingo就经常不仿真!不是说懒，是因为脑子中的电路时序逻辑，本能性的能够保证电路的准确性，或者说出了问题能够自行改正，不会失去了方向。所谓代码在电脑上，电路在脑子中，每一句行为级语言，都加增添一个电路。
　　当然，并非每一个人都可以这样子的。对于初学者而言，仿真是非常重要的一个过程。原因是因为在初学者脑子中，还未呈现固定逻辑实现的时序工作流程，换句话说，经验不够丰富吧。
　　当然在时序很复杂而且庞大时，时序仿真是必须的，因为在这种情况下，大脑的模拟也许无法跟计算机的计算速度比拟了。
　　前文安装Quartus II 软件章节有提到过，Quartus II 9.1以前版本，软件自带仿真器，而9.1以后的版本，需要第三方软件的支持。第三放仿真软件有很多，而用的最多的，固然是Modelsim-Altera。本章节中Quartuus II 11.0与Modelsim-Altera协同工作，仿真测试本例程的代码的时序。希望通过节的分析，对时序逻辑上有一个更深刻的认识。
                               
                　　2. 仿真必备的知识
　　Altera_Modelsim仿真资料：http://www.chinaaet.com/lib/detail.aspx?id=86257
　　四、配置FPGA
　　1. 配置综合
　　配置引脚简单的说就是通过软件的设置，将FPGA内部逻辑信号映射到IO上，具体有下面几种方法：
　　(1)在Assignments-Pin Planner中对应IO手动输入IO引脚
　　(2)Quartus II Tcl Console 手动输入，输入的格式为：“set_location_assignment PIN_28 -to clk”
　　(3)Tcl Scripts，通过调入tcl 文件来进行映射
　　(4)在Assignments-Import Assignments，通过调入(2)格式的文件来进行映射。
　　后面两种方法具体步骤可见网友“小时不识月”的网页教程：http://www.cnblogs.com/yuphone/archive/2010/01/18/1650612.html
　　配置好查看Quartus II Pin Planner，如下图所示：
　　


　　配置完引脚在进行综合，就少了上述提醒没有进行引脚配置的2个警告。
　　注意1：对于Quartus II 中引脚配置的方法，若用最原始的第一种GUI手动输入配置，需要第一次编译后让软件在Pin Planner生成IO，然后再GUI下手动配置;若用其他三种方法，可以在第一次编译以前，用命令输入配置信息，在Quartus II 编译后，自动识别映射信息，达到同样的效果。
　　注意2：对于系统及的FPGA设计，由于工程之大，引脚之多，一般编译综合需要耗费很大的时间，因此一般采用不采用第一种方法，而且在第一次编译以前事先导入映射信息。
　　2. 目标板下载模式
　　总而言之，Quartus II 软件只是个GUI的 用户终端，用来设计代码，综合FPGA逻辑电路，最终的目的，是通过USB Bluster、并口或者其他途径下载到目标板。具体有以下几种：
　　(1)配置FPGA——JTAG Mode
　　所谓配置FPGA就是将sof文件电路配置FPGA的SRAM(FPGA是基于SRAM格式的)，在不掉电的情况下进行现场配置，验证。此方式是通过JTAG接口下载的。
　　(2)烧录EPCS——Active Serial Programming
　　所谓烧录EPCS是生成的代码信息烧录到存储芯片EPCS中，通过配置信号或者重新上电，配置FPGA SRAM;由于EPCS flash结构，因此EPCS中的掉电不丢失(类似于CPLD)。烧录EPCS有两种方法，如下
　　a) 通过ASP接口下载pof文件
　　b) 通过JTAG接口下载jic/jam文件，jic/jam文件由Quartus II 软件对sof文件进行转换后得到。
　　(3)Passive Serial并口下载
　　(4)In Socket Programming下载
　　以上两种模式，由于应用不是很广泛，在此不做过多阐述。
　　综上说明，在成本敏感，或者电路板空间苛刻的情况下，完全可以舍去ASP接口，而用JTAG来替换。考虑到Altera设计了两种接口的原因，是给用户更大的选择性，特殊场合下，可以只存在ASP接口，只进行一次烧录，而不用JTAG接口进行测试。
　　3. JTAG的下载
　　(1)在工具栏打开或者菜单栏Tool打开Programming
　　


　　(2)若没找到Hardware，在Hardware Setting中找到USB Bluster。
　　(3)选择JTAG Mode
　　(4)若没有自动加载sof文件，点击Add File导入该工程的sof文件
　　(5)最后点击Start，等待下载完毕，如下图所示：
　　

                               
                　　4. EPCS的下载
　　(1)在ASP模式下
　　a) Mode切换为Active Serial Programming模式
　　b) Change File为pof文件
　　c) 点击Start，等待下载完毕。因为Flash速度比SRAM慢，因此下载相对于Flash会较慢。
　　至此，可见目标板上的流水灯已递增的形式循环点亮。
　　(2)在JTAG模式下
　　a) 用Quartus II 自动生成的sof文件，通过软件转换为jic文件，步骤如下：
　　i. 打开File-Convert Programming File。
　　ii. 在Programming File Type选择jic文件。
　　iii. Configuration device中选择目标板对应的EPCS型号
　　iv. File name可默认或任意修改
　　v. 在File/Data area选中Flash Loader，然后右侧点击Add Device，找到自己型号的FPGA，确认。
　　vi. 在File/Data area选中SOF Data，然后在右侧点击Add File，加载本工程目录下的sof文件。
　　vii. 在File/Data area选中加载的sof文件，然后再右侧点击Properties，选中Compression(压缩)，确认。(若EPCS容量允许下，可以省略此步骤，来提高下载速度)
　　viii. 点击Generate，生成jic文件，最终如下图所示，然后Close。
　　


　　b) 打开Programming，选择JTAG Mode。
　　c) 选择前面生成的jic文件，选中jic文件后面的Program/Configure
　　d) 点击Start，等待下载完成，如下图所示：
　　


　　至此，可见目标板上的流水灯已递增的形式循环点亮。
　　5. 编程/配置失败原因
　　(1)USB下载器没有连接好或USB线太长(没插上，或者接口插错)
　　(2)设备没上电。
　　(3)FPGA Device型号选择错误
　　(4)EPCS型号选择错误
　　(5)布局布线不佳，导致下载时序错误
　　(6)FPGA芯片已损坏
　　(7)EPCS芯片已损坏
　　(8)USB Bluster已损坏