第二章SOPC开发流程及QuartusII的使用

第二章SOPC开发流程及QuartusII的使用2.1SOPC开发流程和开发工具2.2QuartusII操作基础2.3SOPC硬件开发实例2.4创建NiosII系统模块2.5设计优化2.6编译2.7编程下载SOPC开发流程和开发工具SOPC设计包括硬件和软件两部分。硬件设计：主要基于QuartusII和SOPCBuilder。软件设计：基于NiosIIIDE。SOPC开发流程分析系统需求:在进行SOPC开发之前，首先必须确定系统的需求，如应用系统需求的计算性能、需要的带宽和吞吐量、需求的接口类型以及是否需求多线程的软件等。建立QuartusII工程:每个开发过程开始时都应建立一个工程，QuartusII是以工程的方式对设计过程进行管理。在工程中建立顶层模块文件.bdf相当于传统电路设计中的电路板（PCB）。定义和生成系统:在SOPCBuilder中添加需要的功能模块（NiosII及其标准外设模块），完成后生成一个系统模块。定制指令&定制外设逻辑:如果需要，用户可以定制指令和外设逻辑。(可参考第8章)自定义的功能模块:当设计中现有模块不能满足设计要求时，可设计自己的功能模块。并在顶层模块中使用；Altera的LPM模块:在QuartusII软件中包含了大量的Altera公司提供的LPM功能模块，相当于传统设计中除处理器以外的逻辑芯片(如74系列)；集成SOPC生成的系统到QuartusII工程:在顶层模块中，分别将SOPCBuilder生成的系统模块、LPM功能模块以及用户自定义功能模块添加到顶层模块中;连接各功能模块:将各个功能模块用连线连起来组成系统功能原理图。选择FPGA型号并进行管脚分配：为系统功能原理图选择芯片载体并为各个输入输出信号分配芯片的管脚；进行编译选项设置：设置编译选项，从而让编译器按照用户设定来进行编译；编译硬件系统生成配置文件sof：编译系统生成硬件系统的配置文件*.sof和*.pof。编译系统是一个非常复杂的过程，包括优化逻辑的组合、综合逻辑、适配FPGA、布线以及时序分析等步骤。下载配置文件到FPGA器件：将配置文件.sof下载到FPGA.设置软件运行硬件环境属性：设置好软件运行的硬件环境属性后，便可进行编译、链接和调试、运行程序。编译软件：对用户程序进行编译，生成可执行文件*.elf。ISS运行/调试：接下来在IDE的指令集仿真器(ISS)上仿真软件和运行/调试软件。在目标板上下载可执行软件到NiosII系统：将可执行文件.elf下载到RAM。在目标板上运行/调试软件：在目标板上反复调试软件。使用IDE编程工具烧写配置文件和软件代码：最后利用IDE的编程工具将配置文件烧写到FPGA的配置芯片或Flash，将可执行文件*.elf编程到Flash中。QuartusII操作基础把QuartusⅡ安装光盘放入计算机的光驱中，在自动出现的光盘安装目录中选择安装QuartusⅡ软件和MegacoreIPlibrary两项，安装光盘将自动引导完成软件的安装；软件安装完成之后，在软件中指定Altera公司的授权文件（License.dat），才能正常使用；授权文件可以在Altera的网页上申请或者购买获得。安装Altera的硬件驱动程序。驱动程序存放在QuartusⅡ安装目录下的…quartus\drivers文件夹中。驱动安装后才能将设计结果通过计算机的通信接口编程下载到目标芯片中。——QuartusⅡ软件的安装——QuartusⅡ软件的用户界面启动QuartusⅡ软件后默认的界面主要由标题栏、菜单栏、工具栏、资源管理窗口、编译状态显示窗口、信息显示窗口和工程工作区等部分组成。QuartusII操作基础——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础标题栏中显示当前工程的路径和工程名。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础菜单栏主要由文件（File）、编辑（Edit）、视图（View）、工程（Project）、资源分配（Assignments）、操作（Processing）、工具（Tools）、窗口（Window）和帮助（Help）等下拉菜单组成。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础工具栏中包含了常用命令的快捷图标。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础资源管理窗口用于显示当前工程中所有相关的资源文件。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础工程工作区当QuartusⅡ实现不同的功能时，此区域将打开对应的操作窗口，显示不同的内容，进行不同的操作，如器件设置、定时约束设置、编译报告等均显示在此窗口中。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础编译状态显示窗口此窗口主要显示模块综合、布局布线过程及时间。——QuartusⅡ软件的用户界面QuartusII操作基础信息显示窗口该窗口主要显示模块综合、布局布线过程中的信息，如编译中出现的警告、错误等，同时给出警告和错误的具体原因。——QuartusⅡ的开发流程按照一般编程逻辑设计的步骤，利用QuartusⅡ软件进行开发可以分为以下四个步骤：（1）输入设计文件；（2）编译设计文件；（3）仿真设计文件；（4）编程下载设计文件。QuartusII操作基础——输入设计文件QuartusⅡ软件的输入法有：1）原理图输入方式、2）文本输入方式（如VHDL、VerilogHDL）3）AHDL输入方式、4）模块输入方式以及5）第三方EDA工具产生的文件以及混合使用以上几种设计输入方法进行设计原理图输入法原理图输入法也称为图形编辑输入法，用QuartusⅡ原理图输入设计法进行数字系统设计时，不需要任何硬件描述语言的知识，在具有数字逻辑电路基本知识的基础上，利用QuartusⅡ软件提供的EDA平台设计数字电路或系统。QuartusII操作基础1、原理图输入法－建立设计工程建立设计工程的方法如图示：新建工程选项新建工程第一页QuartusII操作基础1、原理图输入法－建立设计工程建立设计工程的方法图示：新建工程第二页新建工程第三页QuartusII操作基础1、原理图输入法－建立设计工程建立设计工程的方法图示：新建工程第四页新建工程第五页QuartusII操作基础2、原理图输入法－输入设计文件1）新建工程之后，便可以进行电路系统设计文件的输入。选择file菜单中的New命令，弹出如图所示的新建设计文件类型选择窗口。QuartusII操作基础2）选择New对话框中的DeviceDesignfiles页下的BlockDiagram/SchematicFile，点击OK，打开下图所示的图形编辑器对话框，进行设计文件输入。图形编辑器对话框2、原理图输入法－输入设计文件QuartusII操作基础2、原理图输入法－输入设计文件3）在图形编辑窗口中的任何一个位置双击鼠标，或点击图中的“符号工具”按钮，或选择菜单Edit下的InsertSymbol命令，弹出如右图所示的元件选择窗口Symbol对话框。元件选择窗口QuartusII操作基础2、原理图输入法－输入设计文件元件选择窗口QuartusII操作基础4）用鼠标点击单元库前面的加号(+)，库中的元件符号以列表的方式显示出来，选择所需要的元件符号，该符号显示在Symbol对话框的右边，点击OK按钮，添加相应元件符号在图像编辑工作区中，连接原理图。2、原理图输入法－输入设计文件十六进制同步计数器的原理图如下：QuartusII操作基础3、原理图输入法－优缺点：优点：1）可以与传统的数字电路设计法接轨，即使用传统设计方法得到电路原理图，然后在QuartusⅡ平台完成设计电路的输入、仿真验证和综合，最后下载到目标芯片中。2）它将传统的电路设计过程的布局布线、绘制印刷电路板、电路焊接、电路加电测试等过程取消，提高了设计效率，降低了设计成本，减轻了设计者的劳动强度。缺点：1）原理图设计方法没有实现标准化，不同的EDA软件中的图形处理工具对图形的设计规则、存档格式和图形编译方式都不同，因此兼容性差，难以交换和管理。2）由于兼容性不好，性能优秀的电路模块的移植和再利用非常困难，难以实现用户所希望的面积、速度以及不同风格的综合优化3）原理图输入的设计方法不能实现真实意义上的自顶向下的设计方案，无法建立行为模型，从而偏离了电子设计自动化最本质的涵义。QuartusII操作基础——编译设计文件QuartusⅡ编译器的主要任务是对设计项目进行检查并完成逻辑综合，同时将项目最终设计结果生成器件的下载文件。编译开始前，可以先对工程的参数进行设置。QuartusⅡ软件中的编译类型有全编译和分步编译两种。选择QuartusⅡ主窗口Process菜单下StartCompilation命令，或者在主窗口的工具栏上直接点击图标可以进行全编译全编译的过程包括分析与综合（Analysis&Synthesis）、适配（Fitter）、编程（Assembler）、时序分析(ClassicalTimingAnalysis)这4个环节，而这4个环节各自对应相应的菜单命令，可以单独分步执行，也就是分步编译。在设计的调试和优化过程中，可以使用RTL阅读器观察设计电路的综合结果。QuartusII操作基础分步编译就是使用对应命令分步执行对应的编译环节，每完成一个编译环节，生成一个对应的编译报告。分步编译跟全编译一样分为四步：1、分析与综合（Analysis&Synthesis）：设计文件进行分析和检查输入文件是否有错误，对应的菜单命令是QuartusⅡ主窗口Process菜单下Start\StartAnalysis&Synthesis，对应的快捷图标是在主窗口的工具栏上的；2、适配（Fitter）：在适配过程中，完成设计逻辑器件中的布局布线、选择适当的内部互连路径、引脚分配、逻辑元件分配等，对应的菜单命令是QuartusⅡ主窗口Process菜单下Start\StartFitter；（注：两种编译方式引脚分配有所区别）QuartusII操作基础3、编程（Assembler）：产生多种形式的器件编程映像文件，通过软件下载到目标器件当中去，应用的菜单命令是QuartusⅡ主窗口Process菜单下Start\StartAssembler；4、时序分析(ClassicalTimingAnalyzer)：计算给定设计与器件上的延时，完成设计分析的时序分析和所有逻辑的性能分析，菜单命令是QuartusⅡ主窗口Process菜单下Start\StartClassicalTimingAnalyzer，对应的快捷图标是在主窗口的工具栏上的。编译完成以后，编译报告窗口CompilationReport会报告工程文件编译的相关信息，如编译的顶层文件名、目标芯片的信号、引脚的数目等等。全编译操作简单，适合简单的设计。对于复杂的设计，选择分步编译可以及时发现问题，提高设计纠错的效率，从而提高设计效率。QuartusII操作基础5、RTL阅读器：在设计的调试和优化过程中，可以使用RTL阅读器观察设计电路的综合结果，同时也可以观察源设计如何被翻译成逻辑门、原语等。RTL阅读器是观察和确定源设计是否实现了设计要求的理想工具。执行仿真验证设计功能之前使用RTL阅读器查找设计中的问题，可以在设计早期发现问题，为后期的验证工作节省时间。当设计通过编译后，选择QuartusⅡ主窗口Tools菜单下NetlistViewers\RTLViewer命令，弹出RTL阅读器窗口QuartusII操作基础5、RTL阅读器RTL阅读器窗口图QuartusII操作基础RTL阅读器窗口的右边，是过程设计结果的主窗口，包括设计电路的模块和连线5、RTL阅读器RTL阅读器窗口图QuartusII操作基础RTL阅读器的左边是层次列表，在每个层次上以树状形式列出了设计电路的所有单元。层次列表的内容包括以下几个方面：（1）实例Instances，能够被展开成低层次模块或实例