FPGA开发板快速教程（二）

第二章 FPGA基本教程
第一节 FPGA的基本开发流程

PLD是可编程逻辑器件（Programable Logic Device）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。

PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。

如何使用PLD呢？其实PLD的使用很简单，学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。　　

开发PLD需要了解两个部分：1.PLD开发软件 2.PLD本身

由于PLD软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。

下面我们以基于Altera公司的QuantusII软件来简单说明一下FPGA的开发流程。

下图是一个典型的基于QuantusII的FPGA开发流程。

（1）建立工程是每个开发过程的开始，QuantusII（以下简称Q2）以工程为单元对设计过程进行管理。

（2）建立顶层图。可以这样理解，顶层图是一个容器，将整个工程的各个模块包容在里面，编译的时候就将这些模块整合在一起。也可以理解为它是一个大元件，包含各个模块，编译的时候就是生成一个这样的大元件。

（3）采用ALTERA公司提供的LPM功能模块。Q2软件环境里包含了大量的常用功能模块，例如计数器、累加器、比较器、译码器等等；如果不懂得在工程中采用这些现有的功能模块真是太浪费了。以本人的经验，一个设计中一般只有极少部分的模块需要自己从零设计。

（4）自己建立功能模块。当然，有些设计中现有的模块功能不能满足具体设计的要求，那就只能自己设计啦。可以用硬件描述语言也可以用原理图的输入方法。可以把它们独立地当作一个工程来设计，并生成模块符号（Symbol），然后在顶层图中使用这个模块的符号，并将源文件（实现该模块的原理图或HDL文件）拷到顶层图所在的工程目录下。这个过程好比你要做一个电路，现在市面上没有你想要的某个芯片，你就只能自己做一块这样的一块芯片，然后添加到你的电路板上。

（5）将顶层图的各个功能模块用连线连起来。这个过程类似电路图设计，把各个芯片连接起来，组成电路系统。

（6）系统的功能原理图至此已经基本出炉了，下一步要为该设计选择芯片载体，才能真正在物理上实现系统的功能。这一步的主要工作是：（1）选择芯片型号；（2）为顶层图的各个输入输出信号分配芯片的管脚；（3）设置编译选项，目的是让编译器知道更多的信息。

（7）编译。这个过程类似软件开发里的编译，但实际上这个过程比软件的编译要复杂得多，因为它毕竟最终要实现硬件里的物理结构，包含了优化逻辑的组合、综合逻辑以及布线等步骤。在类似Q2这样的集成环境里面，这些过程都可以一气呵成，集成环境帮你自动完成了几个步骤的工作。当然，你也可以用其它工具来实现各个步骤的工作，这些内容超出了本教程陈述的范围。

（8）编译后会生成*.sof或*.pof文件，前者可以通过JTAG下载到FPGA内部，设计无误的话即能实现预期的功能，但断电后FPGA里的这些信息会丢失；后者可以下载到FPGA的配置芯片（EEPROM或FLASH芯片），掉电后这些配置信息不会丢失，重新上电以后通过该配置芯片对FPGA的内部RAM进行配置。

（9）对于复杂的设计，工程编译了以后可以采用Q2的仿真功能或其它仿真软件（如ModelSim）对设计反复进行仿真和验证，直到满足要求。

第二节 基于QuartusII的实例


实验一 实验板上的KEY1按钮控制FPGA核心板上的第一个LED灯。

本实验比较简单，使用本站FPGA开发板或者CPLD开发板以及其它FPGA开发板都可进行实验。

目的：通过该实例学习，可以了解FPGA的基本开发流程，熟识quartusII软件基本功能的使用。

原理：利用一个常开按钮（实验板上的KEY1）作为输入（常开时输入1，闭合时输入0），经过一个反相器后输出到核心板的第一个LED。KEY1常开时，LED亮，按下（闭合）实验板上的KEY1，该LED熄灭。