第一个FPGA工程—LED流水灯

这一章我们来实现第一个FPGA工程—LED流水灯。我们将通过流水灯例程向大家介绍一次完整的FPGA开发流程，从新建工程，代码设计，综合实现，管脚约束，下载FPGA程序。掌握本章内容，大家就算正式的开始入门FPGA开发了。

1.1.1.电路说明

1.1.2.新建工程

第一步：从开始菜单启动Quartus II 13.1(64 bit) ，如下图。

第二步：菜单栏选择File—>New Project Wizard，新建工程。

第三步：弹出新建工程对话框，点击Next，下一步。

第三步：如下图，依次设置工程的存放路径，工程名称，顶层文件名称，如图依次设置好，这里我们将所有工程相关的文件放在prj文件夹内，便于工程文件与源码文件的管理，同时要保持工程名称与顶层实体名称一致，继续Next。

第四步：添加设计文件，这一步我们不需要添加，后续我们会新建相应的代码文件。这里继续Next。

第五步：选择FPGA器件，如图所示，这里我们选择器件家族是CycloneIV系列的，封装是FBGA，管脚数为256，速度等级为8。这里速度等级越小，速度越快。这里我们FPGA的具体型号为EP4CE6F17C8。大家通过这个对话框了解这个器件的基本资源。这里我简单介绍一下这些资源的名称，在后面的章节里我们还会详细讲解FPGA内部资源与结构。

1、CoreVoltage是内核电压，Cyclone IV的内核电压是1.2V。

2、LE是Altera最基本的逻辑单元，LEs表示FPGA的所有的逻辑资源，   我们这款芯片的逻辑资源数为6272。

3、User I/Os表示用户IO数，这里共有180个IO可以供用户使用。

4、Memory Bits与embedded multiplier 9-bit elements实际是一回事，后者简称M9K，M9K就是指位宽为9bit，深度为1K的RAM。这里一共有30个M9K，大家计算一下9*1024*30=276480就是Memory Bits。

5、PLL锁相环，内部一共有两个锁相环。

6、Global clocks全局时钟网络数，这里一共有10个。设计中的时钟信号会优先全局时钟资源。

第六步：设置EDA工具，这里我们就设置一下仿真工具，使用默认Modelsim

-Altera，语言选择Verilog。实际后面我们不建议大家使用Modelsim-Altera。我们会推荐大家在直接使用Modelsim-SE，后者的通用性更强。继续Next。

       第七步：总结新建工程的基本信息。到这里就完成工程的建立。

1.1.3.代码设计

大家阅读本节前，首先应该对Verilog语法有一定了解，其次阅读我们提供的编码规范文件，了解基本的命名规则和工程架构，从一开始就培养良好的编码习惯。

第一步：新建verilog源文件，如下图，点击新建文件图标，或者通过菜单栏File—>New打开新建文件向导。

第二步：在新建文件向导中，选择Verilog HDL File，点击OK。

第三步：因为我们已经配置过UltraEdit为默认编辑器，此时会打开UltraEdit（注意：UltraEdit编辑Verilog代码前，要添加语法高亮文件，详见3.3.3节内容），弹出新建源文件，将源文件另存至src文件夹下，命名为led_test.v与顶层实体名称一致。我们将源码文件和工程文件放在不同文件夹下，方便日后的工程维护。

第四步：编写代码逻辑，这里我们实现了一个流水灯。这里我们用了一个27位的计数器，时钟频率为50MHz，周期为20ns，当计数到第25位置位时，计数器值为25’d16777216，此时时间为16777216*20ns=335ms。这样每大约经过335ms，计数器的[26:24]位就会加1。我们第一个always实现计数器，第二个always实现控制不同时间时LED的输出，即每隔335ms改变一次LED的输出状态。

1.  module led_test

2.      (

3.          input                  i_clk,      //input clk ,50mhz

4.          input                  i_rst_n,    //reset, active low

5.          output reg  [3:0]o_led      //led out

6.      );

7.      reg    [26:0]         led_count;   

8.  //-------------------------------------------------------------------

9.  // 流水灯计数器

10. //------------------------------------------------------------------- 

11.     always @ (posedge i_clk or negedge i_rst_n)

12.     begin

13.         if(!i_rst_n)

14.             led_count  <=27'd0;  

15.         else

16.             led_count  <=led_count   +   27'd1;                  

17.     end

18. //-------------------------------------------------------------------

19. //  计数器bit24置1，表示已大约计数335ms，每隔335ms，led_count[26:24]自动加1

20. //-------------------------------------------------------------------      

21.    always @ (posedge clk or negedge i_rst_n)

22.     begin

23.         if(!i_rst_n)

24.             o_led   <=4'b1111;    

25.         else begin

26.             case(led_count[26:24]) //when 25th bit set= 335ms

27.                 3'b000:     o_led<=  4'b1110;       

28.                 3'b001:     o_led<=  4'b1101;   

29.                 3'b010:     o_led<=  4'b1011;  

30.                 3'b011:     o_led<=  4'b0111;  

31.                 3'b100:     o_led<=  4'b1100;      

32.                 3'b101:     o_led<=  4'b1001;  

33.                 3'b110:o_led   <=  4'b0011;

34.                 3'b111:     o_led<=  4'b0000;      

35.                 default:    o_led<=  o_led;  

36.             endcase

37.         end

38.     end   

39. endmodule    

1.1.4.综合实现

对于刚接触FPGA的同学可能不太了解综合实现的意思，其实简单里说，综合实现就相当于单片机的编译过程。而FPGA的编译过程不像其他高级语言的编译过程，FPGA编译过程实际是相应硬件电路的实现过程。

第三小节，我们完成了代码设计，我们就可以综合实现了。步骤就是双击task窗口下的“Compile Design”，就会开始综合实现了。

Altera的FPGA编译过程大致分为以下几个过程：分析综合，布局布线，生成烧写文件，时序分析，EDA网表生成。如下图所示。

分析综合：这个过程首先是完成对源码文件的语法编译，其次是将我们设计的语言综合成相应的网表文件，而这个网表文件实际是与FPGA上资源是相互映射的。首先什么是网表文件？网表文件描述了相应工程的FPGA设计中包含了FPGA资源，同样描述了这些资源又是如何连接的。其次，FPGA有哪些资源？我们会在后续章节详细介绍，这里就说一个最简单的资源——触发器，这个是我们数电里面学习过的，在FPGA里一般叫做寄存器。例如我们这个工程中，最终led_count和o_led都会映射到相应的寄存器。

布局布线：这个过程是根据分析综合中得到的网表文件进行的，如果大家有PCB设计经验可能会更好理解。所谓布局，就像PCB布局，将设计中用到的资源布局到FPGA器件内部不同的位置。所谓布线，同样类似PCB布线，将FPGA内部用到的资源根据网表文件中描述的链接关系连在一起。

生成烧写文件：这个过程比较好理解，基于上述过程产生的文件，再生成用烧写FPGA的文件。

EDA网表生成：这个过程则是用来生成仿真所需网表文件。仿真时会用到。

1.1.5.管脚分配

这一节我们将介绍管脚分配，管脚分配过程中我们会同时讲解关于Altera FPGA管脚主要特点及分类。

第一步：管脚分配前应该先将源码文件进行综合，让Quartus获取相应的IO信息。这一步第四小节已经讲了，我就不做详细介绍了。

第二步：打开管脚分配工具Pin Planner，如下图。或者可以通过菜单栏Assignments—>Pin Planner打开，也可以下图所示快捷图标打开。

    

第三步：分配管脚之前，我们先介绍一下FPGA的IO分布情况、管脚的特点及种类，以及Pin Planner工具的使用。如下图为Pin Planner界面。

Pin Planner工具界面大致可分为以下几个部分：

总体管脚布局区域：如图所示，中间器件图描述了每个管脚的位置。

Report区域：通过这个区域，将相应信息打上√，就可以高亮我们所关心的IO信息。这里我们高亮IO的bank信息。FPGA的管脚是分bank的，而且每个bank的IO的电平都可以独立配置的。

Tasks区域：这个区域包含了很多IO信息，我们可以双击需要的IO信息，相应的信息就会添加到Repoat区域中。

Pin Legend区域：这里具体说明IO的所有种类，并用不同的颜色和形状表示出来。而FPGA的IO管脚大致分为 用户IO，配置管脚，电源管脚这几类。

管脚分配区域：我们在这个区域内对我们设计中的IO进行分配。

第四步：分配管脚。在Location栏中输入相应管脚的位置，完成管脚分配。

1.1.6.程序烧写

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