多种EDA工具的FPGA协同设计

一、前言

FPGA在电子市场上占有举足轻重的地位。现在的问题是：现在市场在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，选择并协调好各种EDA工具显得非常重要，本文将探讨上述问题并给出一种解决方案。本文以Altera公司的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、FPGA CompilerII、Modelsim，并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并数据转换接口”。接口电路可以实现数据的串并转换，并根据控制信号确定输出的并行数据的顺序，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并在设计本身。开发实例使用的目标器件是Altera公司FLEX10KE系列的EPF10K30ETC114-1；开发软件有QuartusII2.0、FPGA CompilerII 3.6和Modelsim5.6SE。

Quartus II是Altera公司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。 Quartus II可以产生并识别EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog HDL网表文件，为其他EDA工具提供了方便的接口；可以在Quartus II集成环境中自动运行其他EDA工具。 Mentor Graphics公司的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。FPGA Compiler II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，我们完全可以在Quartus II中完成设计。实际上，这个开发实例完全可以在Quartus II这个集成的开发环境中完成。下面，我先介绍一下如何在Quartus II中完成设计，然后再介绍如何利用Quartus II提供的第三方EDA工具的接口与其他EDA工具（包括综合工具FPGA Compiler II和仿真工具ModelSim5.6SE）完成协同设计。

1. 基于Quartus II的FPGA的开发

利用Quartus II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

Quartus II软件在File菜单中提供“New Project Wizard...”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。在这里我们创建项目“s_to_p”，编写“s_to_p.vhd文件”，并将文件添加到项目中。

（2）设计编译

Quartus II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、在指定的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Compile Mode，可以通过Processing菜单进行选择。

②在Processing菜单中选择Compiler Settings项。在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，并选择在编译后进行时序分析。

③单击Processing菜单下的“Start Compilation”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在Compilation Report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“Timing Settings...”选项，可以方便地完成时间参数的设定。Quartus II软件的时序分析功能在编译过程结束之后自动运行，并在编译报告的Timing Analyses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等时间参数的详细报告，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

Quartus II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，也可以在Quartus II软件的波形编辑器中产生向量波形文件（.vwf）作为仿真器的激励。通过Quartus II的波形编辑器，我们编辑波形文件“s_to_p.vwf”用于仿真。接着，在Processing菜单下选择“Simulate Mode”选项进入仿真模式，选择“Simulator Settings...”对话框进行仿真设置。在这里可以选择激励文件、仿真模式（功能仿真或时序仿真）等，我们选择时序仿真，单击“Run Simulator”即开始仿真过程。完成仿真后，我们可以通过时序仿真得到的波形判断系统设计是否达到要求。

（5）器件编程

设计者可以将配置数据通过MasterBlaster或ByteBlasterMV通信电缆下载到器件当中，通过被动串行（Passive Serial）配置模式或JTAG模式对器件进行配置编程，还可以在JTAG模式下给多个器件进行编程。利用Quartus II软件给器件编程或配置时，首先需要打开编程器（在New菜单选项中选择打开Chain Description File），在编程器中可以进行编程模式设置（Mode下拉框）、硬件配置（Programming Hardware对话框）及编程文件选择（Add File...按钮），将以上配置存盘产生.cdf文件，其中存储了器件的名称、器件的设计及硬件设置等编程信息。当以上过程正确无误后，单击Start按钮即可开始对器件进行编程配置。这里我们需要根据外围硬件电路设计的情况进行选择。