Altera FPGA/CPLD设计（基础篇）

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FPGA/CPLD、DSP和CPU被称为未来数字电路系统的3块基石，也是目前硬件设计研究的热点。与传统电路设计方法相比，FPGA/CPLD具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特点，特别是随着电子工艺的不断改进，低成本FPGA/CPLD器件推陈出新，这一切促使FPGA/CPLD成为当今硬件设计的首选方式之一。可以说FPGA/CPLD设计技术是当今高级硬件工程师与IC工程师的必备技能。

目录
第1章 FPGACPLD简介……………………………………………………………1
1.1 可编程逻辑设计技术简介……………………………………………………………………1
1.1.1可编程逻辑器件发展简史………………………………………………………………………………1
1.1.2可编程逻辑器件分类.…………………………………………………………………………………………2
1.2 FPGA/CPLD的基本结构………………………………………………………………………………………………3
1.2.1 FPGA的基本结构………………………………………………………………………………………3
1.2.2 CPLD的基本结构………………………………………………………………………7
1.2.3 FPGA和CPLD的比较.……………………………………………………………………………….9
1.3 FPGA/CPLD的设计流程………………………………………………………………………………………10
1.4 FPGA/CPLD的常用开发工具…………………………………………………………………………….14
1.5 下一代可编程逻辑设计技术展望…………………………………………………………………………18
1.5.1下一代可编程逻辑器件硬件上的四大发展趋势……………………………………………18
1.5.2 下一代EDA软件设计方法发展趋势…………………………………………………………24
1.6 小结………………………………………………………………………………………………………………27
1.7 问题与思考………………………………………………………………………………………………………28
第2章ALTEra FPGACPLD的结构………………………………………………………………………29
2.1 Altera高密度FPGA…………………………………………………………………………………29
2.1.1主流高端FPGA-—Stratix………………………………………………………………………………….29
2.1.2 内嵌高速串行收发器的FPGA——-Stratix GX……………………………………………………….51
2.1.3 新一代90nm 高端 FPGA——-StratixI…………………………………………………….55
2.2 Alera低成本FPGA……………………………………………………………………………………………….58
2.2.1 主流低成本FPGA——Cyclone…………………………………………………………….58
2.2.2新一代低成本FPGA-——Cyclone Ⅱ………………………………………………………………63
2.3 Altera的CPLD器件……………………………………………………………………………68
2.3.1主流的CPLD——MAX3000A………………………………………………………………………….68
2.3.2 CPLD的革命——MAXI………………………………………………………70
2.4小结………………………………………………………………………………………………………………………………72
2.5 问题与思考……………………………………………………………………………………….73
第3章Altera QUARTus Ⅱ开发流程……………………………………………………………………75
3.1Quartus II 软件综述………………………………………………………………………………………75
3.1.1QuartusⅡI软件的特点及支持的器件 ……………………………………………………….75
3.1.2 QuartusⅡI软件的工具及功能简介……………………………………………………………………76
3.1.3QuartusⅡ软件的用户界面……………………………………………………………………….78
3.2 设计输入……………………………………………………………………………………………81
3.2.1设计输入方式……………………………………………………………………………………………83
3.2.2设计规划………………………………………………………………………………………………….84
3.2.3 设计输入文件实例……………………………………………………………………….84
3.2.4设计约束……………………………………………………………………………86
3.3综合………………………………………………………………………………………………………91
3.3.1使用Quartus II软件集成综合………………………………………………………………….91
3.3.2控制综合…………………………………………………………………………………………………….92
3.3.3 综合实例…………………………………………………………………………………………………96
3.3.4第三方综合工具…………………………………………………………………………….98
3.4布局布线…………………………………………………………………………………………………….98
3.4.1设置布局布线参数………………………………………………………………………………….98
3.4.2 布局布线实例………………………………………………………………………………………………102
3.4.3 增量布局布线…………………………………………………………………………………103
3.4.4反标保留分配………………………………………………………………………………………103
3.5仿真……………………………………………………………………………………104
3.5.1指定仿真器设置……………………………………….105
3.5.2 建立矢量源文件…………………………………………………………………………………………106
3.5.3 仿真实例………………………………………………………………………………109
3.5.4 第三方仿真工具…………………………………………………………112
3.6 编程与配置…………………………………………………………………………112
3.6.1建立编程文件……………………………………………………………………………112
3.6.2 器件编程和配置……………………………………………………………….114
3.7 小结………………………………………………………………………116
3.8 问题与思考……………………………………………………………………………………………………….116
第 4章Altera 的IP工具……………………………………………………………………………………117
4.1IP的概念、Altera的IP……………………………………………………117
4.1.1IP的概念……………………………………………………117
4.1.2Altera可提供的IP……………………………………………………………………118
4.1.3 Altera IP 在设计中的作用 …………………………………………………………………………….20
4.2使用Altera的基本宏功能………………………………………………………………………….121
4.2.1定制基本宏功能……………………………………………………………………………………122
4.2.2实现基本宏功能……………………………………………………………………………126
4.2.3设计实例……………………………………………………………………………129
4.3 使用Altera的IP核…………………………………………………………………………………132
4.3.1定制IP核…………………………………………………………………………132
4.3.2实现IP核……………………………………………………………………………137
4.3.3设计实例…………………………………………………………………………137
4.4小结……………………………………………………………………………………………138
4.5 问题与思考………………………………………………………………………………………139
第5章 Quartus Ⅱ的常用辅助设计工具…………………………………………………………141
5.1 V/O分配验证…………………………………………………………………141
5.1.1 I/O分配验证功能简介.……………………………………………………………………………142
5.1.21/O分配验证流程…………………………………………………………………………142
5.1.3用于I/O分配验证的输入…………………………………………………………………………….145
5.1.4运行I/O分配验证……………………………………………………………………………146
5.2 功率分析………………………………………………………………………………………………………………148
5.2.1 Excel-baSED功率计算器………………………………………………………………………………148
5.2.2 SIMulation-based 功率估算…………………………………………………………………………………150
5.3 RTL阅读器………………………………………………………………………………………………………151
5.3.1 RTL阅读器简介……………………………………………………………………………………151
5.3.2 RTL阅读器用户界面 ……………………………………………………………………………152
5.3.3 原理图的分页和模块层次的切换.……………………………………………………………153
5.3.4过滤原理图……………………………………………………………………………………………………154
5.3.5 将原理图中的节点定位到源设计文件.……………………………….156
5.3.6 在原理图中查找节点或网线…………………………………………………………………156
5.3.7 使用RTL阅读器分析设计中的问题.………………………………………………………………..157
5.4 SignalProbe 及 SignalTap Ⅱ逻辑分析器……………………………………………………….157
5.4.1SignalProbe…………………………………………………………………………………………157
5.4.1 SignalTap ⅡI逻辑分析器……………………………………………………………………………………160
5.5 时序收敛平面布局规划器（Timing Closure Floorplan）…………………………………….166
5.5.1使用 Timing Closure Floorplan分析设计………………………………………………………………167
5.5.2 使用Timing Closure Floorplan优化设计…………………………………………………………173
5.6 Chip Editor底层编辑器…………………………………………………………………………………173
5.6.1 Chip Editor功能简介…………………………………………………………………………………173
5.6.2使用Chip Editor的设计流程…………………………………………………………174
5.6.3Chip Editor视图………………………………………………………………………………………175
5.6.4资源特性编辑器…………………………………………………………………………………………177
5.6.5 Chip Editor的一般应用………………………………………………………………………………181
5.7 工程更改管理（ECO）…………………………………………………………………………………………181
5.7.1ECO简介…………………………………………………………………………………………………182
5.7.2 ECO的应用范围…………………………………………………………………………182
5.7.3 ECO的操作流程…………………………………………………………………………………183
5.7.4使用Change Manager查看和管理更改…………………………………………………………184
5.7.5 ECO验证…………………………………………………………………………………185
5.8 小结……………………………………………………………………………………………………185
5.9问题与思考………………………………………………………………………………………185
第6章编程与配置…………………………………………………………………………………187
6.1配置Altera FPGA……………………………………………………………………………………187
6.1.1 配置方式…………………………………………………………………………………………………………187
6.1.2主动串行（AS）……………………………………………………………………………………193
6.1.3 被动串行（PS）………………………………………………………………………………………196
6.1.4快速被动并行（FPP）…………………………………………………………………….198
6.1.5被动并行异步（PPA）……………………………………………………………………………199
6.1.6 JTAG配置方式………………………………………………………………………………201
6.1.7 ByteBlaster ⅡI 下载电缆…………………………………………………………………………….202
6.1.8配置芯片…………………………………………………………………………………………………………….204
6.2 配置文件和软件支持…………………………………………………………………………………….204
6.2.1软件支持………………………………………………………………………………………….204
6.2.2 配置文件……………………………………………………………………………………………….206
6.3 单板设计及调试注意事项……………………………………………………………………………………209
6.3.1配置的可靠性…………………………………………………………………………………………210
6.3.2单板设计要点………………………………………………………………………………………….210
6.3.3 调试建议…………………………………………………………………………………………………….211
6.4小结……………………………………………………………………………………………213
6.5 问题与思考…………………………………………………………………………………………………….213
第7章MAX+PLUSI过渡到Quartus I………………………………………………………………….215
7.1 MAX+PLUSⅡ与Quartus II的功能比较……………………………………………………………………215
7.2 转换MAX+PLUSⅡI 设计…………………………………………………………………………217
7.2.1改变GUI风格……………………………………………………………………………………………….217
7.2.2 转换MAX+PLUSI工程……………………………………………………………………………….218
7.2.3查看新工程…………………………………………………………………………………….219
7.2.4导入MAX+PLUSII配置文件.……………………………………………………………….220
7.3编辑工程……………………………………………………………………………………………………221
7.3.1修改设计芯片…………………………………………………………………………………221
7.3.2设置编译选项…………………………………………………………………………………………………….223
7.4编译………………………………………………………………………………………………………………224
7.4.1运行编译器……………………………………………………………………………………………………….224
7.4.2 查看工程结构…………………………………………………………………………………………………226
7.4.3编译报告……………………………………………………………………………………………….227
7.5时序分析……………………………………………………………………………………………………228
7.5.1时序设置………………………………………………………………………………………228
7.5.2 运行时序分析器……………………………………………………………………………………229
7.5.3时序分析指定路径…………………………………………………………………………….230
7.5.4 时序约来布局器………………………………………………………………………………….232
7.6 仿真………………………………………………………………………………………233
7.6.1功能仿真…………………………………………………………………………………………233
7.6.2 时序仿真…………………………………………………………………………………………………………….234
7.6.3 查看仿真报告.………………………………………………………………………………235
7.7小结…………………………………………………………………………………………236
7.8 问题与思考………………………………………………………………………………………………………236
第8章第三方EDA工具…………………………………………………………………………237
8.1 第三方EDA 工具综述…………………………………………………………………………….237
8.1.1NativeLink与WYSIWYG………………………………………………………………………….237
8.1.2 3种EDA工具的使用流程 …………………………………………………………………………238
8.1.3 Quartus Ⅱ支持的第三方工具………………………………………………………………….238
8.2 仿真的概念与ModelSim仿真工具……………………………………………………………………240
8.2.1仿真简介……………………………………………………………………………………………………240
8.2.2仿真的切入点………………………………………………………………………………………….241
8.2.3 ModelSim 仿真工具的不同版本………………………………………………………………….243
8.2.4 ModelSim的图形用户界面………………………………………………………………….243
8.2.5 ModelSim的基本仿真步骤………………………………………………………………………..254
8.2.6 使用ModelSim进行功能仿真………………………………………………………………………………259
8.2.7 使用 ModelSim进行时序仿真…………………………………………………………………………263
8.2.8 ModelSim仿真工具高级应用…………………………………………………………………….265
8.3 综合的概念与Synplify/Synplify Pro 综合工具……………………………………………….275
8.3.1 Synplify/Synplify Pro 的功能与特点………………………………………………275
8.3.2 Synplify Pro 的用户界面…………………………………………………………………………………….281
8.3.3 Synplify Pro 综合流程……………………………………………………………………………….284
8.3.4Synplify Pro的其他综合技巧 ………………………………………………………………………305
8.4小结…………………………………………………………………………………………………………………….317
8.5 问题与思考……………………………………………………………………………………………………………317

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