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多种EDA工具的FPGA协同设计

前言

FPGA于电子市场上占有举足轻重的地位。现于的问题是:现于市场于FPGA开发方面的EDA工具令人眼花缭乱,各自侧重点不同,性能也不一样,我们应该如何选择?为了加速FPGA的开发,选择且协调好各种EDA工具显得非常重要,本文将探讨上述问题且给出一种解决方案。本文以Altera企业的FPGA为目标器件,通过开发实例介绍FPGA开发的完整的流程及开发过程中使用到的开发工具,包括QuartusII、FPGACompilerII、Modelsim,且重点解说如何使用这三个工具进行协同设计。

二、FPGA的开发流程及实例

FPGA的开发分为设计输入、功能仿真、设计综合、前仿真、布局布线、时序仿真、时序分析和编程下载几个步骤。设计流程如图1所示。

我们的开发实例是“带顺序选择和奇偶检验的串且数据转换接口”。接口电路可以实现数据的串且转换,且根据控制信号确定输出的且行数据的顺序,以及输出奇偶检验位。开发实例是用来说明FPGA的开发流程和各种EDA工具的协同设计,因此这里的描述重点且于设计本身。开发实例使用的目标器件是Altera企业FLEX10KE系列的EPF10K30ETC114-1;开发软件有QuartusII2.0、FPGACompilerII3.6和Modelsim5.6SE。

QuartusII是Altera企业的第四代可编程逻辑器件集成开发环境,提供从设计输入到器件编程的全部功能。QuartusII可以产生且识别EDIF网表文件、VHDL网表文件和VerilogHDL网表文件,为其它EDA工具提供了方便的接口;可以于QuartusII集成环境中自动运行其它EDA工具。MentorGraphics企业的Modelsim是业界较好的仿真工具,其仿真功能强大,且图形化界面友好,而且具有结构、信号、波形、进程、数据流等窗口。FPGACompilerII是一个完善的FPGA逻辑分析、综合和优化工具,它从HDL形式未优化的网表中产生优化的网表文件,包括分析、综合和优化三个步骤。如果设计的硬件系统不是很大,对综合和仿真的要求不是很高,我们完全可以于QuartusII中完成设计。实际上,这个开发实例完全可以于QuartusII这个集成的开发环境中完成。下面,我先介绍一下如何于QuartusII中完成设计,然后再介绍如何利用QuartusII提供的第三方EDA工具的接口与其它EDA工具(包括综合工具FPGACompilerII和仿真工具ModelSim5.6SE)完成协同设计。

1.基于QuartusII的FPGA的开发

利用QuartusII软件的开发流程可概括为以下几步:设计输入、设计编译、设计时序分析、设计仿真和器件编程。

(1)设计输入

QuartusII软件于File菜单中提供“NewProjectWizard...”向导,引导设计者完成项目的创建。当设计者需要向项目中添加新的VHDL文件时,可以通过“New”选项选择添加。于这里我们创建项目“s_to_p”,编写“s_to_p.vhd文件”,且将文件添加到项目中。

(2)设计编译

QuartusII编译器完成的功能有:检查设计错误、对逻辑进行综合、提取定时信息、于指定的Altera系列器件中进行适配分割,产生的输出文件将用于设计仿真、定时分析及器件编程。

①首先确定软件处于CompileMode,可以通过Processing菜单进行选择。

②于Processing菜单中选择CompilerSettings项。于这里可以进行器件选择、模式设定、综合和适配选项设定及设计验证等。我们选择FLEX10KE系列型号为EPF10K30ETC114-1的器件,且选择于编译后进行时序分析。

③单击Processing菜单下的“StartCompilation”项,开始编译过程。

④查看编译结果。编译结果以树状结构组织于CompilationReport中,包含项目的设置信息,以及编译设置、编译效果等信息,同时也包含了静态时序信息。

(3)设计定时分析

单击Project菜单下的“TimingSettings...”选项,可以方便地完成时间参数的设定。QuartusII软件的时序分析功能于编译过程结束之后自动运行,且于编译方案的TimingAnalyses文件夹中显示。其中我们可以得到最高频率fmax、输入寄存器的建立时间tsu、输出寄存器时钟到输出的延迟tco和输入保持时间th等时间参数的详细方案,从中可以清楚地判定是否达到系统的时序要求。本设计实例电路的fmax可达到192.31MHz。

(4)设计仿真

QuartusII软件允许设计者使用基于文本的向量文件(.vec)作为仿真器的激励,也可以于QuartusII软件的波形编辑器中产生向量波形文件(.vwf)作

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