FPGA设计与应用案例教程 课件 第2章 FPGA开发工具

第2章FPGA开发工具本章概要本章详细介绍了FPGA（现场可编程门阵列）的开发流程及其所需的工具链。首先概述了FPGA的基本架构和开发流程，包括需求分析、设计输入、综合、实现、仿真验证以及下载调试等关键步骤。然后重点介绍了FPGA开发中常用的硬件平台（如Intel和Xilinx的芯片）以及集成开发环境（如Quartus和Vivado）。通过具体的实例演示讲解了如何使用Quartus和Vivado进行FPGA设计。FPGA开发流程01Part1FPGA开发流程FPGA的基本开发流程包括设计输入、分析综合、布局布线、时序分析和仿真等步骤1FPGA开发流程设计输入设计输入是FPGA开发的第一步。设计输入形式多样，可以通过硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL编写代码，也可以采用原理图编辑或使用预定义的IP核来实现特定逻辑功能。如果采用硬件描述语言，可以在开发软件的特定文件格式或模板下编辑，也可以在通用的文本编辑器里事先编辑好，再复制到软件编辑器里进行电路设计。1FPGA开发流程分析&综合（Analysis&Sythesis）分析是对设计输入的规范性进行初步检查，例如对硬件描述语言（HDL）代码进行语法和语义检查，包括检查代码中的拼写错误、语法错误以及变量和信号的正确使用等。通过这一步骤，可以确保代码的基本正确性，避免在后续的综合过程中出现不必要的错误。1FPGA开发流程分析&综合（Analysis&Sythesis）综合是将设计输入翻译成门级网表的过程。网表（netlist）是一种描述电子电路中各元件及其相互连接关系的文本文件，包含了电路的所有逻辑元件（如与门、或门、非门、触发器等）以及它们之间的连接信息。1FPGA开发流程分析&综合（Analysis&Sythesis）在图的节点inst2上打开右键菜单，选择LocateNode命令，可以把这个节点直接定位到设计文件、芯片规划和引脚规划等多个资源文件，便于后续的设计步骤进行核查。1FPGA开发流程分析&综合（Analysis&Sythesis）综合后的门级网表文件通过汇编（Assembler）转换成FPGA配置文件（如位流文件或SOF文件）1FPGA开发流程布局布线（Place&Route）布局布线决定了网表中的逻辑单元在FPGA芯片上的物理分布以及它们之间的连接方式。布局是将综合后网表中的各类逻辑单元，诸如触发器、查找表等，精准地分配到FPGA芯片上特定物理位置的过程。这一过程中逻辑单元的功能特性是首要考量因素，比如触发器常用于数据存储与时序控制，查找表则主要实现逻辑函数，布局时需依据其功能特性，让它们在芯片上各安其位，以实现高效协作。同时，FPGA芯片的资源分布也是重要考量，芯片内部不同区域有着不同的资源配置，如可编程逻辑块、布线资源等，布局需充分利用这些资源，避免局部资源过度集中或闲置。1FPGA开发流程布局布线（Place&Route）布线是在布局完成之后，根据布局文件中的逻辑单元位置信息，运用特定算法及规则，借助电子设计自动化（EDA）工具来构建实际连接路径。这些连接路径犹如FPGA的“神经网络”，确保各个逻辑单元间能够准确无误地传递信号。1FPGA开发流程布局布线（Place&Route）布线过程需遵循诸如线长限制、信号完整性要求、布线层数限制等诸多约束条件。例如，高速信号的布线需严格控制线长，以避免信号反射和延迟；而对于一些敏感信号，还需与其他信号保持一定间距，防止串扰。此外，由于FPGA芯片资源有限，布线资源的合理分配和优化显得尤为重要，需在满足设计功能的前提下，尽可能提高布线效率与质量。布线过程需要优化连接路径的长度和质量，以减少信号传输延迟和功耗及经常会遇到资源冲突、连接拥塞等问题，因此，布线工具通常会采用一些优化算法，良好的布局布线策略可以显著提高设计的性能，减少信号延迟和功耗。1FPGA开发流程布局布线（Place&Route）布线完成后，会生成一个包含所有连接路径信息的布线文件，这个文件将用于生成最终的FPGA配置文件。1FPGA开发流程时序分析时序分析是评估FPGA设计是否能够在时钟信号下稳定工作的关键，通常按照以下步骤进行。首先建立设计模型，将整个FPGA设计以合适的形式呈现，包含逻辑单元、连接关系以及时钟信号等关键信息，为后续分析奠定基础。接着，定义时序约束，明确时钟信号的频率、占空比、相位等参数，同时针对不同信号路径设置最大延迟、最小延迟等限制，确保设计符合预期的时序要求。然后进行时序计算，依据设计模型和时序约束，利用专业工具计算各个信号路径的传播延迟、建立时间和保持时间等关键时序参数。通过精确计算，确定电路中各个信号的传输时间和延迟情况。最后是分析时序报告，开发工具生成的时序报告详细记录每条信号路径的时序状况，要据此识别出时序违规的路径，如建立时间或保持时间不满足要求等问题，进而针对性地优化逻辑设计，修复潜在问题，确保FPGA设计能在时钟信号下稳定工作。1FPGA开发流程仿真测试仿真测试是FPGA开发流程中至关重要的环节，它贯穿于整个设计周期的始终，是确保设计正确性和可靠性的关键步骤。根据验证环境和实施方式的不同，主要分为软件仿真和硬件测试两大类，它们各自具有独特的特点和适用场景，共同构成了完整的FPGA验证体系。1FPGA开发流程仿真测试软件仿真是FPGA设计初期的主要验证手段，它通过专门的仿真工具（如ModelSim、VCS等）在计算机上模拟硬件电路的行为。这种仿真方式具有成本低、灵活性高、调试方便等显著优势。1FPGA开发流程仿真测试硬件测试则是在设计后期进行的重要验证手段，它需要借助专门的硬件仿真设备，如FPGA原型验证平台或硬件仿真器。与软件仿真相比，硬件测试能够提供更接近实际运行环境的验证条件，特别是在时序验证方面具有明显优势。硬件测试可以准确反映设计的时序特性，包括时钟树延迟、布线延迟等物理特性，这对于高速设计和时序关键路径的验证尤为重要。此外，硬件测试还可以进行系统级验证，将FPGA设计与实际外围电路或系统环境相结合，验证整个系统的功能和性能。1FPGA开发流程仿真测试FPGA开发流程三个阶段。第一个阶段是设计输入，其核心在于源文件的创建与优化，包括硬件描述语言（HDL）代码、原理图以及其他设计文件的编写与修改，确保设计的功能性和逻辑正确性；第二个阶段是软件仿真，重点在于利用各种仿真工具和方法，在软件层面对设计文件进行功能验证和时序分析，以确保设计在逻辑上的正确性和可靠性；第三个阶段是硬件仿真，也称为板级验证，这一阶段的核心任务是将设计文件转换为位流编程文件，并烧录到FPGA芯片中，通过实际硬件平台进行功能验证和性能测试，确保设计在实际环境中的可行性和稳定性。第2章FPGA开发工具FPGA主流芯片与选型02Part2FPGA主流芯片与选型FPGA使用软件的方法设计硬件，FPGA开发的各个阶段都与硬件芯片相关。在学习设计之前，应该对FPGA芯片有一定的认识，从芯片型号了解芯片中和设计、制造相关的资源，便于进行芯片选型。2FPGA主流芯片与选型2.1IntelFPGA芯片型号IntelFPGA产品主要分为Agilex系列、Stratix系列、Arria系列、MAX系列、Cyclone系列：Agilex系列——采用英特尔7或10纳米SuperFin技术制造，内置ARM核的SOC芯片，面向带宽密集型和计算密集型应用，主要有Agilex9、7、5、3系列。Stratix系列——目前主要使用的是采用14纳米三栅极技术的Stratix10，适用于高端应用。Arria系列——提供给中端市场使用，主要有Arria10和ArriaV系列。MAX系列——MAX是非易失性的CPLD产品，主要有MAX10和MAXV，能够降低功耗，实现更低的系统总成本。Cyclone系列——以低功耗、低成本芯片为主，包括CycloneIV、CycloneV和Cyclone10，性价比高。2FPGA主流芯片与选型2.1IntelFPGA芯片型号IntelFPGA芯片型号由系列标识、（系列）成员代码、封装、温度和速度等级等必要说明和硬核、收发器、规格等各项附加说明组成。2FPGA主流芯片与选型2.1IntelFPGA芯片型号芯片5CGXBC3B6F23C7N型号组成2FPGA主流芯片与选型2.1IntelFPGA芯片型号因芯片种类繁多，不同的芯片系列里芯片型号各个组成部分使用的符号、对应的数值不尽相同。要掌握芯片资源的准确信息，需要查阅目标芯片对应的用户手册。2FPGA主流芯片与选型2.2AMDFPGA芯片型号AMD公司的FPGA产品主要有Spartan系列、Artix系列、Kintex系列和Virtex系列：Spartan系列——入门级到中端产品系列，以高性价比著称，非常适合成本敏感型设计。该系列FPGA提供了丰富的逻辑资源和I/O接口，能够满足各种嵌入式系统、消费电子和工业自动化等领域的应用需求。同时，Spartan系列还具有良好的可编程性和灵活性，使得设计者可以根据具体需求快速定制和优化系统。Artix系列——中端产品系列，采用先进的16nm工艺，结合了出色的性能和成本效益。该系列FPGA配备了高达16Gb/s的高级协议收发器，非常适合机器视觉、网络、物联网和边缘市场中的低功耗应用。Artix系列不仅提供了强大的信号处理能力和高速数据传输能力，还优化了功耗管理，使得系统在保持高性能的同时能够降低能耗。2FPGA主流芯片与选型2.2AMDFPGA芯片型号Kintex系列——中高端产品系列，集成了高性能逻辑、大容量存储器和高速收发器。该系列FPGA适用于数据包处理、无线通信、数据中心和航空航天等领域的应用。Kintex系列提供了高性能的DSP计算单元和丰富的I/O资源，能够满足复杂算法处理和高速数据传输的需求。同时，该系列还具有良好的可扩展性和可靠性，使得设计者可以根据具体应用场景灵活配置系统。Virtex系列——高端产品系列，代表了AMDFPGA技术的巅峰之作。该系列FPGA具有高密度、高性能I/O和高级布线结构，主要面向高性能计算和大数据流处理的应用。Virtex系列提供了极致的逻辑密度、大容量存储器和高速串行连接能力，使得系统能够处理大规模数据运算和高速数据传输任务。同时，该系列还采用了先进的封装技术和散热设计，确保了系统的稳定性和可靠性。2FPGA主流芯片与选型2.2AMDFPGA芯片型号AMDFPGA芯片型号由系列标识、（系列）成员代码、封装、温度和速度等级等必要说明和硬核、收发器、规格等各项附加说明组成。2FPGA主流芯片与选型2.3FPGA芯片选型使用FPGA进行数字逻辑设计，芯片选型是一个复杂的过程，涉及多个方面的考量。选型前，需明确应用需求，包括数据处理速度、功耗限制和接口要求等，同时多掌握一些FPGA芯片的基本信息，以便进行统筹规划。2FPGA主流芯片与选型2.3FPGA芯片选型从设计方面考虑，重要的是芯片资源和性能。对于需要高性能计算和大量数据处理的项目，应选择具有丰富逻辑资源和高速处理能力的FPGA芯片。而对于对成本敏感且性能要求不高的项目，则可以选择资源适中、性价比高的芯片。设计需要考虑主要指标有逻辑单元数量、引脚、专有功能模块、工作环境等。FPGA通过逻辑单元实现所设计的数字逻辑电路，逻辑单元数的重要性毋庸多言。通常会基于类似项目的资源使用情况进行估算，也可以结合已有的芯片进行评估，在满足设计要求的前提下，预留20-30%的逻辑单元，以应对设计变更和优化。再根据估算的逻辑单元数，查找满足需求的FPGA型号。2FPGA主流芯片与选型2.3FPGA芯片选型引脚方面，需确保满足FPGA连接外部器件的所有需求，数量上要有冗余，并考虑引脚的驱动能力和工作频率与设计的匹配性。专有模块包括DSP模块、RAM、ROM、PLL（锁相环）等等，恰当使用可以帮助简化FPGA设计流程，加速项目进度。工作环境主要是从设计的产品属于商业级、工业级还是军工级或者航天级来区分，有各自不同的温度范围。从制造方面需要考虑封装、电源与功耗等。不同的封装类型具有不同的引脚数量、间距和电气特性，需要根据项目的PCB设计和制造工艺来选择合适的封装类型。功耗和散热也是需要考虑的因素。如果系统对散热有需求，应考虑低功耗的FPGA芯片，不仅有助于降低系统的能耗，还能减少散热设计的难度和成本，确保在高负载工作下能够保持稳定的性能输出。2FPGA主流芯片与选型2.3FPGA芯片选型成本也是一个重要因素，很多情况下它可能是首要因素。不过在系统设计中，成本不单指芯片的购买价格，还要把开发成本、维护成本等也计算在内，往往需要和其他评估因素结合起来考虑。第2章FPGA开发工具Intel开发软件Quartus03Part3Intel开发软件Quartus3.1QuartusPrime下载安装登录Inte官网www.找到下载中心3Intel开发软件Quartus3.1QuartusPrime下载安装软件包类型主要有三种，分别是Pro（专业版）、Standard（标准版）和Lite（精简版）3Intel开发软件Quartus3.1QuartusPrime下载安装QuartusPrime是一个集成开发环境，有两种下载方式。以QuartusPrimeLite版本为例，可以选择完整下载（MultipleDownload）和单独下载（InvidualFiles）。3Intel开发软件Quartus3.1QuartusPrime下载安装(a)仅下载软件平台QuartusPrimeLite单独下载方式3Intel开发软件Quartus3.1QuartusPrime下载安装(b)支持的芯片库QuartusPrimeLite单独下载方式3Intel开发软件Quartus3.2QuartusPrime的主菜单启动QuartusPrime软件，软件用户界面上方显示软件版本、主菜单和常用快捷工具，下方是窗口区。3Intel开发软件Quartus3.2QuartusPrime的主菜单主菜单从左到右依次是File（文件）、Edit（编辑）、View（视图）、Project（工程）、Assignments（分配）、Processing（处理）、Tools（工具）、Window（窗口）和Help（帮助）菜单。3Intel开发软件QuartusFile（文件）File（文件）菜单包含工程和文件的新建、打开、关闭、保存等操作指令第一组指令兼顾工程和文件第二组指令只面向工程3Intel开发软件QuartusView（视图）菜单View（视图）菜单可以对工具窗口进行打开和关闭的独立设置3Intel开发软件QuartusProjectNavigator（工程导航）NodeFinder（节点查找）01TclConsole（Tcl控制台）02Messages（消息）03Status（状态）04ChangeManager（变更管理）05Tasks（任务）06IPCatalog（IP核目录）07图2-11File菜单083Intel开发软件QuartusProjectNavigator窗口ProjectNavigator窗口展示工程所有的层级、文件、设计单元和IP单元，可以在各个页面切换。3Intel开发软件QuartusTasks窗口Tasks窗口展示工程任务的进程。包括分析&综合、适配（布局布线）、汇编、时序分析等环节。3Intel开发软件QuartusMessages消息（Messages）窗口主要有三种信息标志：ShowErrorMessages（红色字体）ShowCri