Процедура проектирования в Quartus II

Процедура проектирования устройств на ПЛИС включает в себя следующие этапы [1].

1. Ввод проекта. На этом этапе разработчик вводит описание проекта и его частей. Проект или его части могут быть описаны традиционным способом в виде схемы, содержащей отдельные элементы, соединенные между собой цепями связи. Для создания и последующего редактирования таких описаний в пакете Quartus II используется графический редактор. Объектом его работы являются файлы с расширением .bdf.

Графическое представление проекта в пакете Quartus II может создаваться, как в базисе библиотечных элементов, так и в базисе графических символов проектировщика. В качестве компонентов проекта Quartus II позволяет использовать IP (Intellectual Properties) ядра, представляющие собой единицы интеллектуальной собственности. Эти блоки являются полностью синтезируемыми, перемещаемыми и могут по желанию проектировщика располагаться в разных частях кристалла. Примерами IP ядер являются процессорные ядра NIOS II и большой набор различных контроллеров периферийных устройств.

Главным достоинством графического способа ввода проекта является его традиционность и наглядность, связанная с привычностью разработчиков к восприятию изображений схем [1].

В настоящее время все большую популярность приобретают языки описания аппаратуры (HDL) [2,3]. Они допускают описание проектируемого устройства с точки зрения, как его поведения, так и структуры. Такие возможности позволяют представлять проект в форме текстового описания алгоритмов функционирования его модулей в сочетании с текстовым описанием межмодульных соединений для сложных проектов. Для создания и последующего редактирования текстовых описаний частей проекта в Quartus II используется текстовый редактор. Допустимыми являются языки VHDL, Verilog, AHDL (Altera HDL), System Verilog [5-7]. Соответствующие текстовые файлы имеют расширения. vhd,  . v,. tdf,. sv.

Достоинствами текстового описания проекта являются  его компактность и относительная простота автоматизации любых преобразований, включая процесс создания описания, однозначность понимания и возможность переноса проектов в другие САПР.

Quartus II допускает использование в проектах отдельных компонентов, созданных в системах автоматизации проектирования сторонних производителей. Такими компонентами могут быть и IP ядра. В этом случае, файл описания, как правило, представляет собой таблицу соединений конфигурируемых логических блоков и таблиц соответствия, выполненную до этапа размещения и разводки элементов. Соответствующие файлы имеют расширение. edf.

 2. Компиляция проекта. Компиляция представляет собой процесс преобразования описания проекта в его структурную реализацию на выбранном кристалле ПЛИС. Компиляции может подвергаться как весь проект, так и отдельные его фрагменты. В Quartus II компиляция всегда выполняется для модуля верхнего уровня (top level). Поэтому для компиляции отдельного компонента схемы необходимо предварительно объявить его модулем верхнего уровня. Компиляция включает выполнение нескольких этапов.

2.1. Анализ и синтез. Составной частью процесса компиляции проекта является этап анализа и синтеза. Соответствующий модуль компилятора Quartus II строит базу данных проекта, которая объединяет все файлы описания проекта в единое целое с учетом иерархического представления проекта. Созданная база данных проекта в дальнейшем будет обновляться другими модулями компилятора до тех пор, пока не будет получен полностью оптимизированный проект. После своего создания база данных содержит только таблицу соединений проекта (netlist). После завершения полной компиляции – полностью оптимизированный, смонтированный проект, который используется для создания файлов, применяемых для временного моделирования, временного анализа, анализа потребляемой мощности и программирования кристалла.

Модуль анализа и синтеза Quartus II выявляет синтаксические ошибки в проекте. Он проверяет логическую завершенность проекта, то есть возможность объединения файлов описания проекта в единое целое, и возможность реализации проекта на выбранном кристалле ПЛИС. Он также преобразует конструкции используемого языка HDL в их аппаратную реализацию на ресурсах кристалла таких, как функциональные преобразователи (lut), триггеры,  защелки, логические элементы, блоки встроенной памяти, встроенные умножители. Рис. 1.3.1. демонстрирует реализацию этапа анализа и синтеза. Исходными файлами для выполнения этапа являются файлы с описанием модулей проекта на языках HDL (. vhd,. v,. tdf) и файлы со схемным представлением. bdf. На выходе получаются файлы отчета (. rpt,. htm) и созданная база данных (. rdb) [4].

Рис. 1.3.1. Этап анализа и синтеза проекта в Quartus II

 

Пакет Quartus II допускает использование средств синтеза сторонних производителей САПР. В этом случае, созданные проектировщиком файлы описания проекта на языке VHDL или Verilog, должны быть преобразованы средствами синтеза в файл соединений в формате EDIF (. edf) или файл Verilog Quartus Mapping File (. vqm), которые затем могут быть использованы в пакете Quartus II (см. рис. 1.3.1.).

3. Функциональное моделирование проекта. После завершения этапа синтеза проекта может быть выполнена верификация описания проекта. В основе верификации описания проекта лежит моделирование его работы при имитации различных внешних воздействий. Если при моделировании не учитываются задержки распространения сигналов, то такое моделирование называется функциональным. Существует два подхода к генерации внешних, относительно проекта, воздействий. Первый подход заключается в формировании воздействий путем задания последовательности входных сигналов в редакторе временных диаграмм. Второй подход состоит в написании специальной тестирующей программы с помощью одного из языков HDL. При использовании второго подхода тестируемый объект представляется как структурный компонент, соединенный с одной стороны с генератором тестовых воздействий, с другой стороны с анализатором реакций. Пакет Quartus II поддерживает реализацию обоих подходов. Верификация может быть выполнена как для отдельных частей проекта, так и для проекта в целом. Для выполнения этапа верификации также могут привлекаться средства моделирования, разработанные сторонними производителями САПР.

2.2. Размещение и трассировка. Модуль компилятора Quartus II, реализующий этот этап проектирования, называется Fitter. Он использует базу данных, созданную на предыдущем этапе модулем анализа и синтеза компилятора. Модуль Fitter осуществляет монтаж проекта в структуру выбранного кристалла программируемой логики. То есть, полученная на этапе синтеза модель полного представления проекта в техническом базисе кристалла отображается на внутренние ресурсы ПЛИС, которыми являются конфигурируемые логические блоки, блоки встроенной памяти, встроенные умножители и устанавливаются соответствующие соединения с помощью ресурсов трассировки кристалла.  Модуль размещения и трассировки подбирает для каждой логической функции подходящее место на кристалле, с точки зрения уменьшения времени распространения сигнала, выполняет соответствующие соединения и назначения контактов ввода-вывода. Рис. 1.3.2. демонстрирует реализацию этапа размещения и трассировки. Исходными файлами для выполнения этапа являются файлы с расширением. cdb, созданные после выполнения синтеза компилятором и файлы с установками, имеющие расширение. qsf.  На выходе получаются файлы отчета о компиляции (. rpt,. htm) и обновленная база данных [4].

Рис. 1.3.2. Этап размещения и трассировки проекта в Quartus II

 

При выполнении этапа размещения и трассировки пользователь может задать свои собственные назначения. Модуль размещения и трассировки реализует их, а затем выполняет оптимизацию оставшейся части проекта. После выполнения монтажа, пользователь может просмотреть результаты размещения и трассировки с помощью специального средства Chip Planner и, в случае необходимости, изменить некоторые назначения.

Результатом компиляции проекта в пакете Quartus II является загрузочный файл, т.е. конфигурационная информация для выбранной микросхемы ПЛИС или для загрузочного ПЗУ этой интегральной схемы. Также создается файл отчета, содержащий информацию, как о процессе компиляции, так и о его результатах.

В пакете Quartus II имеется специальное средство Resource PropertyEditor, называемое редактором топологии, с помощью которого можно вручную вмешаться в процесс компиляции и изменить структуру проекта на кристалле, например, с целью повышения производительности проектируемого устройства.

2.3. Временной анализ. Проверка соответствия реализованного проекта требованиям быстродействия.

2.4. Анализ потребляемой мощности. Проверка соответствия реализованного проекта требованиям по потребляемой мощности.

4. Временное моделирование на вентильном уровне.   Осуществляется проверка правильности функционирования проекта после выполнения этапов синтеза, размещения и трассировки.

5. Программирование ПЛИС. Выполняется загрузка конфигурационной информации в программируемый кристалл, посредством чего реализуется пользовательский проект.

6. Тестирование и отладка проекта в составе системы. Проводятся комплексные испытания реализованного проекта, в результате чего принимается решение о соответствии проекта техническому заданию и завершении проектирования. В противном случае принимается решение о доработке проекта.

1.4. Запуск Quartus II и открытие проекта

 

Чтобы запустить пакет Quartus II выполните двойной щелчок мышью по пиктограмме  на рабочем столе Windows. Появится главное окно менеджера проекта Quartus II, на фоне которого будет помещена панель, с предложением либо пройти курс обучения, используя предложенное интерактивное руководство, либо открыть существующий проект, либо создать новый проект.

Чтобы отказаться от предлагаемых действий закройте окно стандартным образом, используя значок  в правом верхнем углу окна.

Чтобы пройти курс обучения щелкните по соответствующей кнопке, чтобы открыть существующий проект нажмите кнопку Open Existing Project.

Чтобы создать новый проект, нажмите соответствующую кнопку, после чего будет запущен New Project Wizard.

В нижней части, представленной на рис. 1.4.1. панели, содержатся кнопки, используя которые можно установить связь с сайтом компании Altera. Причем кнопка Literature предназначена для получения информации по пакету Quartus II, включая подробное руководство по использованию пакета Quartus II. Также можно получить информацию обо всех типах ПЛИС, выпускаемых фирмой Altera.

Кнопка Training предназначена для выполнения, размещенных на сайте аудио-видео сеансов обучения в режиме он-лайн.

Кнопка Online Demos позволяет наблюдать в режиме он-лайн демонстрацию применения пакета Quartus II.

Кнопка Support позволяет получать техническую поддержку.

Чтобы открыть существующий проект, необходимо выполнить двойной щелчок мышью по файлу с именем проекта и расширением. qpf, либо использовать команду Open Project из меню File менеджера проекта. В этом же меню содержится команда Recent Project, с помощью которой можно выбрать один проект из списка последних открывавшихся пользователем проектов. Чтобы запретить вывод на экран этого окна при повторном запуске пакета, следует щелкнуть мышью в поле Don ’ t show this screen again.

 

Рис. 1.4.1. Вводное окно пакета Quartus II