AlteraFPGA的设计流程课件

Altera FPGA的设计流程的设计流程贺 光 辉清华大学电子工程系1Altera FPGA的设计流程贺 光 辉1目标目标掌握掌握FPGAFPGA的标准设计流程和工具的标准设计流程和工具用Modelsim进行功能级仿真并诊断RTL Code用Quartus II做设计综合和布局布线用FPGA Mega-functions做设计返标SDF并运行门级的仿真掌握掌握FPGAFPGA的时序约束的时序约束了解了解FPGAFPGA的设计原则的设计原则2目标掌握FPGA的标准设计流程和工具2提纲提纲FPGAFPGA概要概要FPGAFPGA的设计流程的设计流程用用ModelsimModelsim进行仿真和调试进行仿真和调试用用Quartus IIQuartus II进行时序分析、综合等进行时序分析、综合等FIRFIR滤波器的设计实例滤波器的设计实例3提纲FPGA概要3FPGA概要概要4FPGA概要4FPGA的优点集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法，十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间布局布线容易，设计过程相当于只有ASIC设计的前端研发费用低不需要投片费用5FPGA的优点集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片5FPGA的应用前景的应用前景通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用 减少电子系统的开发风险和开发成本 缩短上市时间（time to market）通过在系统编程、远程在线重构等技术降低维护升级成本系统的原型实现ASIC的原型验证ASICASIC常用常用FPGAFPGA进行原型机验证进行原型机验证6FPGA的应用前景通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用CPLD与与FPGA的区别的区别CPLDFPGA内部结构ProducttermLookup Table程序存储内部EEPROMSRAM，外挂EEPROM资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富集成度低高使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法速度慢快其他资源EAB（嵌入式逻辑块），锁相环保密性可加密一般不能保密7CPLD与FPGA的区别CPLDFPGA内部结构ProducCPLD还是还是FPGA？复杂组合逻辑：CPLDCPLDPLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至2030多个组合逻辑输入 复杂时序逻辑：FPGAFPGAFPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是成千上万8CPLD还是FPGA？复杂组合逻辑：CPLD8推荐书籍推荐书籍VerilogVerilogVerilog数字系统设计教程数字系统设计教程 夏宇闻 北京航天航空大学出版社硬件描述语言硬件描述语言VerilogVerilog 刘明业等译 清华大学出版社 FPGA基于基于FPGAFPGA的嵌入式系统设计的嵌入式系统设计 任爱锋 西安电子科技大学出版社基于基于FPGAFPGA的系统设计（英文版）的系统设计（英文版）Wayne Wolf 机械工业出版社 IC设计Reuse methodology manual for system-on-a-chip designsReuse methodology manual for system-on-a-chip designs 3rd ed.Michael Keating,Pierre Bricaud.片上系统片上系统:可重用设计方法学可重用设计方法学沈戈,等译电子工业出版社,2004Writing testbenches:functional verification of HDL Writing testbenches:functional verification of HDL models/Janick Bergeronmodels/Janick Bergeron Boston:Kluwer Academic,c2000 9推荐书籍Verilog9推荐文章推荐文章http:/www.sunburst- Coding Styles For Improved Simulation Efficiency State Machine Coding Styles for Synthesis Synthesis and Scripting Techniques for Designing Multi-Asynchronous Clock Designs Synchronous Resets?Asynchronous Resets?I am so confused!Nonblocking Assignments in Verilog Synthesis,Coding Styles That Kill!10推荐文章http:/www.sunburst-designFPGA的设计流程的设计流程11FPGA的设计流程11目标目标完成本单元的学习后你将会列出FPGA设计过程的步骤（以Altera的FPGA为设计例子）用缺省的软件选项来实现一个FPGA的设计Quaturs IIModelsim12目标12FPGA的设计流程的设计流程FPGAFPGA的设计流程的设计流程用ModelSim进行仿真用Quartus II进行综合和时序分析用Quartus II进行布局布线、调试和下载13FPGA的设计流程FPGA的设计流程13FPGA设计流程设计流程综合综合 -Translate Design into Device Specific Primitives -Optimization to Meet Required Area&Performance Constraints -Synplify,Quartus IIDesign Specification布局布线 -Map Primitives to Specific Locations inside Target Technology with Reference to Area&Performance ConstraintsDesign Entry/RTL Coding -Behavioral or Structural Description of DesignRTL仿真仿真 -Functional Simulation(Modelsim,Quartus II)-Verify Logic Model&Data Flow (No Timing Delays)LEM512M4KI/O14FPGA设计流程综合Design SpecificationFPGA设计流程设计流程时序分析时序分析 -Verify Performance Specifications Were Met -Static Timing Analysis门级仿真门级仿真 -Timing Simulation -Verify Design Will Work in Target TechnologyPC Board Simulation&Test -Simulate Board Design -Program&Test Device on Board -Use SignalTap II for Debuggingtclk15FPGA设计流程时序分析门级仿真PC Board Simul系统规划和预算系统规划和预算系统功能的总体规划：功能集的定义；端口的定义；模块的基本划分和功能定义：每个模块应该完成的功能；模块之间的接口定义；模块间通讯的问题一定要考虑好，硬件通信的成本一般比较大。16系统规划和预算系统功能的总体规划：16设计的整体规划设计的整体规划设计规模的初步估计，大致应该选择哪一层次的芯片；设计时序的宏观规划：频率和时钟结构；可能的关键路径，着重优化；模块的进一步细化，考虑可重用性等的规划：可以考虑基本单元，比如加法、乘法器和寄存器等。设计文档化非常重要17设计的整体规划设计规模的初步估计，大致应该选择哪一层次的芯片设计实现设计实现用电路框图或者HDL描述实现自己的设计：简单的设计可以用电路框图；大型复杂的一般倾向于用HDL描述；HDL描述和计算机编程中的高级语言描述有很大不同，每一个描述都要考虑硬件的实现能力，是不是可以综合的等等，目前HDL语言标准中仍然有不能被综合的语法，这些要尤其注意。18设计实现用电路框图或者HDL描述实现自己的设计：18功能仿真功能仿真对逻辑功能进行验证：不考虑时序问题，认为门都是理想门，没有延时；详细一些的可以认为门延时都是一样，而忽略互连线的延时。RTL代码代码调用模块的调用模块的行为仿真模行为仿真模型型测试数据测试数据测试程序测试程序（test bench）19功能仿真对逻辑功能进行验证：逻辑仿真器19逻辑综合逻辑综合通过映射和优化，把逻辑设计描述转换为和物理实现密切相关的工艺网表：RTL代码调用模块的黑盒子接口设置综合目标和约束条件EDIF网表（netlist）HDL网表（netlist）20逻辑综合通过映射和优化，把逻辑设计描述转换为和物理实现密切相布局布线布局布线将综合生成的网表，在FPGA内部进行布局布线的设计，并最终生成用于下载的二进制配置文件；EDIF网表网表（netlist）调用模块的综合模型设置布局布线约束条件HDL网表（netlist）SDF文件（标准延时格式）21布局布线将综合生成的网表，在FPGA内部进行布局布线的设计，时序逼近时序逼近流程是一个推荐的设计方法可以帮助设计满足它们的时序目标22时序逼近时序逼近流程是一个推荐的设计方法可以帮助设计满足它们门级仿真门级仿真HDL网表（netlist）SDF文件（标准延时格式）测试数据测试数据FPGA基本单元仿真模型测试程序(test bench)23门级仿真FPGA厂家工具逻辑仿真器23SDF 文件文件Industry Standard FormatAutomatically Generated When You Compile a Design(Output File with Extension.sdo)Contain Timing InformationDevice DelaysInterconnect DelaysPort DelaysPath DelaysTiming ChecksCan be Back-annotated to a Design for Accurate Model of Delays24SDF 文件Industry Standard Format物理验证物理验证将生成的二进制配置文件下载到FPGA上，进行实际的功能和时序的测试；Altera（.sof文件）Xlinx(.bit 文件)，由于FPGA常常是作为整个系统一部分，因此还应该将FPGA放到整个系统中进行验证，整个系统工作正常，才算完成了开发过程。25物理验证将生成的二进制配置文件下载到FPGA上，进行实际的功用用ModelSim仿真仿真26用ModelSim仿真26内容内容vModelSim产品简介vModelSim的用途v用ModelSim进行功能仿真v用ModelSim进行时序仿真27内容ModelSim产品简介27ModelSim产品简介（1）v由Mentor Graphics公司 的子公司Model Tech公司开发v工业上最通用的仿真器之一v支持Verilog 和 VHDL仿真OEM版本允许Verilog仿真 或者或者 VHDL 仿真vModelSim/SE首要的版本，能混合仿真Verilog 和 VHDLvModelSim/XEOEM版,包含Xilinx公司的库文件vModelSim/AEOEM版,包含Altera公司的库文件28ModelSim产品简介（1）由Mentor GraphicModelSim产品简介（2）ModelSim 用户界面main主窗口:structure结构窗口process处理窗口:Signal&variable信号和变量窗口dataflow数据流窗口source源窗口Wave&list波形和列表窗口29ModelSim产品简介（2）ModelSim 用户界面maModelSim的用途1.RTL 仿真（功能仿真）v验证设计HDL的基本逻辑功能,属于最基本的验证v仿真速度最快2.门级仿真 v采用综合软件综合后生成的门级网表v不带有布局布线后产生的时序信息3.时序仿真（后仿真）v在门级仿真的基础上加入时延文件“.sdf”文件v速度很慢，需要很长时间30ModelSim的用途RTL 仿真（功能仿真）30用ModelSim作功能仿真(1)ModelSim 的实现方法：v交互式的命令行(Cmd)利用控制台的命令行v用户界面(UI)能接受菜单输入和命令行输入v批处理模式从DOS或UNIX命令行运行批处理文件31用ModelSim作功能仿真(1)ModelSim 的实现方用ModelSim作功能仿真(2)基本仿真步骤：1 1 建立库2 映射库到物理目录3 编译源代码-所有的HDL代码必须被编译4 启动仿真器5 执行仿真32用ModelSim作功能仿真(2)基本仿真步骤：32用ModelSim作功能仿真(3)1 建立库UI)从主菜单里面:Design-Create a New LibraryCmd)从main,记录窗口:ModelSim vlib 33用ModelSim作功能仿真(3)1 建立库33用ModelSim作功能仿真(4)2 映射库到物理目录UI)从主菜单:Design-Browse Libraries Design-Create a New LibraryCmd)从主体的记录窗口:ModelSim vmap 34用ModelSim作功能仿真(4)2 映射库到物理目录用ModelSim作功能仿真(5)3 编译源代码(Verilog)UI)Design-CompilevCmd)vlog-work .v.v文件按出现的顺序被编译文件的顺序或者编辑的顺序不重要v支持增量式编译(只有被改动的设计单元被编译）v缺省编译到work库例如.vlog my_design.v35用ModelSim作功能仿真(5)3 编译源代码(Ve用ModelSim作功能仿真(6)3 编译源代码点亮一个或多个文点亮一个或多个文件并点击件并点击 Compile36用ModelSim作功能仿真(6)3 编译源代码点亮一用ModelSim作功能仿真(7)4 启动仿真器UI)Design-Load New DesignCmd)vsim-lib vVHDLvsim top_entity top_architecturevVerilogvsim top_level37用ModelSim作功能仿真(7)4 启动仿真器37用ModelSim作功能仿真(8)4 启动仿真器选择库选择库选择顶级选择顶级module 或或 entity/architecture38用ModelSim作功能仿真(8)4 启动仿真器选择用ModelSim作功能仿真(9)5 执行仿真UI)RunCMD)run 按timesteps指定的时间长度执行仿真39用ModelSim作功能仿真(9)5 执行仿真39用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(10)(10)5 执行仿真(UI)选择选择 timesteps数量就数量就可以执行仿真可以执行仿真Restart 重装任何已改动的重装任何已改动的设计元素并把仿真时间设为设计元素并把仿真时间设为零零COM)restart40用ModelSim作功能仿真(10)5 执行仿真(UI用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(11)(11)5 执行仿真-run 命令举例命令举例vrun 1000 从当前位置运行仿真 1000 timestepsvrun 2500 ns 从当前位置运行仿真2500 nsvrun 3000 运行仿真到 timestep 300041用ModelSim作功能仿真(11)5 执行仿真-用用ModelSim作功能仿真作功能仿真(12)(12)5 执行仿真-仿真器激励v测试台 Verilog 或 VHDL代码非常复杂的仿真（交互式仿真、数据量大的仿真）vforce命令简单的模块仿真直接从命令控制台输入.DO 文件(宏文件)42用ModelSim作功能仿真(12)5 执行仿真-用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1313）5 执行仿真-仿真器激励.do文件v自动完成仿真步骤的宏文件库设置编译仿真强制仿真激励v能在所有的ModelSim 模式里被调用UI)Macro-ExecuteCOM)do.dov能调用其他的DO文件43用ModelSim作功能仿真（13）5 执行仿真-用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1414）5 执行仿真-仿真器激励.do文件举例vlib workvcom counter.vhdvsim counterview*add wave/*add list/*do run.doadd wave/clkadd wave/clradd wave/loadadd wave-hex/dataadd wave/qforce/clk 0 0,1 50-repeat 100force/clr 0 0,1 100run 500force/load 1 0,0 100force/data 16#A5 0force/clk 0 0,1 50-repeat 100run 1000cd c:mydirvlib workvcom counter.vhdvsim counterview*do stimulus.domy_sim.dostimulus.do44用ModelSim作功能仿真（14）5 执行仿真-用用ModelSim作功能仿真（作功能仿真（1515）5 执行仿真-仿真器激励测试台文件(test bench)v针对复杂的仿真v在测试台文件中将设计模块实例化-将测试台文件置于TOP层,调用设计模块-在测试台文件中加载时钟激励信号,以及给部分信号赋初值v测试台文件的写法与设计模块写法有区别-一些符合语法但又无法被综合的语句(根据具体的综合工具而定),可以在测试台文件中使用45用ModelSim作功能仿真（15）5 执行仿真-用ModelSim作功能仿真(总结)基本仿真步骤：1 1 建立库（Altera MegaFunction库）2 映射库到物理目录3 编译源代码-所有的HDL代码必须被编译4 启动仿真器5 执行仿真#Create libary#Create libaryvlib workvlib work#Compile the altera_mf library#Compile the altera_mf libraryvlog d:/quartus51/eda/sim_lib/altera_mf.vvlog d:/quartus51/eda/sim_lib/altera_mf.v#Create altera_mf library and map it to#Create altera_mf library and map it to workworkexec vmap altera_mf workexec vmap altera_mf work#source files#source files#FIFO#FIFOvlog./core/INFIFO.vvlog./core/INFIFO.v#top_level#top_levelvlog./src/chip_top.vvlog./src/chip_top.vvlog./src/tb_top.vvlog./src/tb_top.v#simulation and testbenches#simulation and testbenchesvsim-L work tb_topvsim-L work tb_topdo wave_tb_top.dodo wave_tb_top.dorun 5 msrun 5 ms46用ModelSim作功能仿真(总结)基本仿真步骤：#Cre用ModelSim作时序仿真（1）时序仿真的含义：v布局布线后进行的后仿真v包含有延时信息v仿真结果可能与功能仿真不相同v除功能仿真时需要的文件以外，还需要网表文件（如time_sim.vhd或time_sim.v）和包含延时信息的文件（time_sim.sdf文件）v在Quartus中是.vo 和.sdo文件47用ModelSim作时序仿真（1）时序仿真的含义：47用ModelSim作时序仿真（2）指定SDF文件指定指定 SDF文件文件使用定时值的等级的使用定时值的等级的类型类型(如果不是顶级如果不是顶级)48用ModelSim作时序仿真（2）指定SDF文件指定 SDF用ModelSim作时序仿真（3）vsim 命令的参数参数-t 指定仿真的时间分辨率单位可以是fs,ps,ns,ms,sec,min,hr如果用了 Verilog的 timescale指令,将使用整个设计中的最小的时间精度可选项(缺省是 ns)-sdfmin|-sdftyp|-sdfmax=注释SDF文件可选项使用实例名也是可选项;如果没有使用,SDF用于顶级49用ModelSim作时序仿真（3）vsim 命令的参数49用ModelSim作时序仿真(总结)基本仿真步骤：1 建立库2 编译Altera器件库3 映射库到物理目录4 编译综合后网表5 加入SDF文件4 启动仿真器5 执行仿真#script for Modelsim post timing#script for Modelsim post timing simulation of Altera cyclone devicesimulation of Altera cyclone device#by Wayne#by Wayne#set your PC environment#set your PC environmentset modelsim_home set modelsim_home d:/edatools/Modeltech_6.1dd:/edatools/Modeltech_6.1dset quartus_home d:/quartus51set quartus_home d:/quartus51#build work lib#build work libvlib workvlib work#add cyclone device lib and its sim#add cyclone device lib and its sim modelsmodelsvlog-reportprogress 300-work vlog-reportprogress 300-work cyclone cyclone$quartus_home/eda/sim_lib/cyclone_$quartus_home/eda/sim_lib/cyclone_atoms.vatoms.v程序接下页50用ModelSim作时序仿真(总结)基本仿真步骤：#scrvmap cyclone workvmap cyclone work#post simulation in modelsim for Altera#post simulation in modelsim for Altera devicesdevicesset design_name chip_topset design_name chip_topset home./impset home./impvlog./src/tb_top.vvlog./src/tb_top.vvlog vlog./imp/simulation/modelsim/$design_name.vo./imp/simulation/modelsim/$design_name.vovsim-sdftyp/tb_top/UUT=chip_top_v.sdo-t ps vsim-sdftyp/tb_top/UUT=chip_top_v.sdo-t ps work.tb_topwork.tb_topdo wave.dodo wave.dorun 500 usrun 500 us程序接上页51vmap cyclone work程序接上页51用用Quartus II 进行综合、进行综合、时序分析和布局布线时序分析和布局布线52用Quartus II 进行综合、时序分析和布局布线52设计流程设计流程Create a New Quartus II ProjectCompile a Design into an FPGALocate Resulting Compilation InformationAssign Design Constraints(Timing&Pin)Perform Timing Analysis&Obtain ResultsConfigure an FPGA53设计流程Create a New Quartus II Pr创建一个新的工程54创建一个新的工程54添加文件55添加文件55Choose Device Family器件选择器件选择56Choose Device Family器件选择56管脚分配Assignments menu-Assignment Editor-Pins57管脚分配Assignments menu-AssignmePin Planner 窗口窗口Unassigned Pins ListPackage View(Top or Bottom)Assigned Pins List58Pin Planner 窗口Unassigned Pins Altera的的IP工具工具IPIP的概念的概念：用于用于ASICASIC、ASSPASSP、PLDPLD等芯片中预先设计好的常用但较复等芯片中预先设计好的常用但较复杂的电路功能模块，经过严格测试和优化，如杂的电路功能模块，经过严格测试和优化，如FIRFIR滤波器、滤波器、SDRAMSDRAM控制器、控制器、PCIPCI接口等。接口等。使用使用IPIP的优势的优势：提高设计性能提高设计性能降低开发成本降低开发成本缩短设计周期缩短设计周期设计灵活性强设计灵活性强仿真方便仿真方便59Altera的IP工具IP的概念：59IPIP的分的分类类：软软IPIP、固、固IPIP和硬和硬IPIPMegafunctions/LPMMegafunctions/LPM（免费的宏功能模块）：（免费的宏功能模块）：如算术组件、门、如算术组件、门、I/OI/O组件、存储器、存储组件组件、存储器、存储组件MegaCoreMegaCore（需要授权的）：（需要授权的）：如数字信号处理类、通信类、接口和外设类、如数字信号处理类、通信类、接口和外设类、微处理器类微处理器类Altera的的IP工具工具60IP的分类：Altera的IP工具60下载所要的MegaCore通过MegaWizard的界面打开IP核的统一界面IP Toolbench定制要生成的IP的参数产生IP的封装和网表文件，以及功能模型对IP的RTL模型做功能仿真将IP的封装和网表文件放在工程中，并实现设计购买IP许可证IP使用的步骤使用的步骤61下载所要的MegaCoreIP使用的步骤61MegaWizard Plug-In ManagerEases Implementation of Megafunctions&IPEases Implementation of Megafunctions&IPTools MegaWizard Plug-In Manager62MegaWizard Plug-In ManagerEaseMegaWizard 示例示例 Multiply-AddPLLLocate Documentation in Quartus II Help or the Web63MegaWizard 示例 Multiply-AddPLLL时序分析64时序分析64Timing Assignments5 types of timing assignments exist:fmax,tsu,thold,tco,tpdThese timing assignments can be assigned globally or individually65Timing Assignments5 types of Register的参数的参数DClkQDQClktc-qtholdTtsutsu:建立时间，在时钟有效沿到来之前寄存器数据输入应保持稳定的时间，它间接约束了组合逻辑的最大延时thold:保持时间，在寄存器数据输入的引脚的数据在系统有效时钟沿到来后需要保持稳定的时间，它间接约束了组合逻辑的最小延时tc-q:寄存器从有效时钟沿到来到输出有效的最大时间违反建立或保持时间，都会造成触发器工作异常，产生Metastability。为了可靠工作，在建立时间开始到保持时间为止的这段时间内，触发器的输入端信号不应发生变化。66Register的参数DClkQDQClktc-qtholdClock Skewl在同一个时钟域或者两个时钟域之间时钟信号到达寄存器的最大时间差别l产生原因主要有：时钟源到达各端点的路径长度不同，各端点负载不同，时钟网络中插入的缓冲器不同等l在两个点之间，可以大体认为Skew是固定的值l注意：Clock Skew影响的是时钟的到达时间不同，也就是时钟发生相移，并不影响时钟的周期宽度67Clock Skew在同一个时钟域或者两个时钟域之间时钟信号Clock Skew（2）68Clock Skew（2）68时钟参数满足的条件l时钟周期应大于寄存器延时、组合逻辑延时、和目标寄存器建立时间的和l本寄存器有效输出通过组合逻辑的延时应该大于目的寄存器的保持时间要求69时钟参数满足的条件时钟周期应大于寄存器延时、组合逻辑延时、和Fmax Assignment70Fmax Assignment70Fmax Assignment:Single/Multiple Clock71Fmax Assignment:Single/MultipClock Period=Clock-to-Out+Data Delay+Setup Time-Clock Skew =tco+B+tsu-(E-C)fmax=1/Clock PeriodBCtcotsuE Clock PeriodClock Setup(fmax)Worst-Case Clock FrequencyWorst-Case Clock Frequency72Clock Period=Clock-to-Out+Select Clock SetupWorst fmaxFmax Values Are Listed in Ascending Order;Worst Fmax Is Listed on the TopSource,Destination Registers&Associated Fmax ValuesClock Setup(fmax)Tables73Select Worst fmaxFmax Values Afmax Analysis DetailsData Delay(B)Source Register Clock Delay(C)Setup Time(tsu)BCtcotsuE Clock PeriodDestination Register Clock Delay(E)Clock to Output(tco)10.384 ns+7.445 ns+0.180 ns-0.000 ns=124.86 MHzMessages Window(System Tab)in Quartus II74fmax Analysis DetailsData Dela I/O Assignments:Tsu,Tco75 I/O Assignments:75Timing AssignmentsWhat can be tagged with a timing assignments?Registers(all)Clock Pins(all)Input Pins(tsu,th)Output Pins(tco)Bidirectional Pins(all)76Timing AssignmentsWhat can be Timing SettingsEasy way to enter timing assignmentsConsolidates all timing assignments in one menu Individual clock settings OR overall circuit frequency Default system timing tsu th tco tpd Default external input/output delays Enable/Disable timing analysis during compilation Timing driven compilation77Timing SettingsEasy way to enReporting Timing ResultsTiming information is part of the Compilation Report Summary Timing Analyses fmax(not incl.delays to/from pins)or fmax (incl.delays to/from pins)Register-to-Register Table tsu(Input Setup Times)th(Input Hold Times)tco(Clock to Out Delays)tpd(Pin to Pin Delays)All timing results are reported here78Reporting Timing ResultsTimingI/O 建立时间和保持时间建立时间和保持时间Clock delaytsu thData delaytsu=data delay-clock delay+intrinsic tsuintrinsic tsu&holdth=clock delay-data delay+intrinsic th79I/O 建立时间和保持时间Clock delaytsu thI/O Clock-to-Output Analysis(tco)Data delaytcoClock delayclock delay+intrinsic tco+data delay=tcointrinsic tco80I/O Clock-to-Output Analysis(Time Slackslack=期望数据到达时间 数据实际到达时间Slack为正，表示数据提前到达，此时组合逻辑延迟满足条件，Register有足够的建立时间；Slack为负，表示数据比预期的时间晚到达，此时显然不满足Register的建立时间，不满足约束；81Time Slackslack=期望数据到达时间 数Slack Equations(Setup)Slack=Largest Required Time-Longest Actual TimeRequired Time=Clock Setup-tco-tsu+(clk-clk)Actual Time=Data Delaylaunch edgeclkclksetup latch edgeClock Setup*clktcotsuCombinatorial LogicclkRegister 1Register 2data delay82Slack Equations(Setup)Slack=Slack Equations(Hold)launch edgeclkhold latch edgeClock Hold*clktcothCombinatorial LogicclkRegister 1Register 2data delaySlack=Shortest Actual Time-Smallest Required TimeActual Time=Data DelayRequired Time=Clock Hold-tco+th+(clk-clk)clk83Slack Equations(Hold)launch einoutclkreg1reg2clkclkclkslack=p2p required p2p delayp2pp2p required=setup relationship+clock skew tCO-tSUsetup relationship=latch edge launch edgeclock skew=clk clk launchlatchSimple Register to Register 示例示例84inoutclkreg1reg2clkclkclkslainoutclkreg1reg2clkslack=p2p required p2p delayp2pp2p required=setup relationship+clock skew tCO tSUsetup relationship=latch edge launch edge=5.0 0.0=5.0 clock skew=clk clk 2.2660.110.082tcotsu0.0820.11=2.521-2.993=5.0+(-0.472)0.11 0.082=4.336 2.266=-0.472=4.336tcotsu=2.072.9932.5212.9932.521Simple Register to Register 示例（示例（con）85inoutclkreg1reg2clkslack=p2Input Minimum DelayMinimum Delay from External Device to Altera I/OMinimum Delay from External Device to Altera I/ORepresents External Device tco+PCB Delay+PCB Clock SkewRepresents External Device tco+PCB Delay+PCB Clock SkewConstrains Registered Input Path(th)Constrains Registered Input Path(th)AtcothAltera DeviceExternal DevicePCB DelaythA Input Minimum DelayInput Minimum DelaythACLKCLK86Input Minimum DelayMinimum DelOutput Maximum DelayMaximum Delay from Altera I/O to External DeviceMaximum Delay from Altera I/O to External DeviceRepresents External Device tsu+PCB Delay+PCB Clock SkewRepresents External Device tsu+PCB Delay+PCB Clock SkewConstrains Registered Output Path(Max.tco)Constrains Registered Output Path(Max.tco)BtcotsuAltera DeviceExternal DevicePCB DelaytcoB tCLK-Output Maximum DelaytcoOutput Maximum DelayCLKCLK87Output Maximum DelayMaximum DeOutput Minimum DelayMinimum Delay from Altera I/O to External DeviceMinimum Delay from Altera I/O to External DeviceRepresents External Device th-PCB Board DelayRepresents External Device th-PCB Board DelayConstrains Registered Output Path(Min.tco)Constrains Registered Output Path(Min.tco)BtcothAltera DeviceExternal DeviceBoard DelaytcoB Output Minimum DelaytcoOutput Maximum DelayCLKCLK88Output Minimum DelayMinimum DeExample Input Maximum DelayNotice:1)Input Pin d(6)&d(3)Timing Information Is Included with Clock Setup(fmax)Analysis2)Input Delay Has Been Added to List Path CalculationInput Maximum Delay(d)=4 ns 89Example Input Maximum DelayNotCompiling in Quartus90Compiling in Quartus90Compiling in Quartus(Start)91Compiling in Quartus(Start)91Compiling in Quartus92Compiling in Quartus92Done!93Done!93Download Bit File94Download Bit File94Download Bit File into FPGA95Download Bit File into FPGA95Altera FPGA配置列表配置列表配置模式典型应用被动串行模式（PS）运用增强配置芯片（EPC16，EPC8或EPC4）EPC1，EPC2，EPC1441，串行同步微处理器，USB接口下载电缆，MasterBlasterTM通信电缆，ByteBlasterTM II并口下载电缆或ByteBlasterMVTM并口下载电缆。主动串行模式（AS）应用串行配置芯片EPCS1，EPCS4等被动并行同步模式（PPS）并行同步微处理器配置快速被动并行模式（FPP）增强型配置芯片或8位同步并行微处理器速度为PPS模式的8倍。被动并行异步模式（PPA）采用异步微处理器，这种模式下微处理器对于目标芯片如同一个存储器。被动串行异步模式（PSA）串行异步处理器JTAG模式根据 IEEE Std.1149.1(JTAG)引脚标准96Altera FPGA配置列表配置模式典型应用被动串行模式（Debug with SignalTap II97Debug with 97Quartus II 嵌入式逻辑分析仪特点嵌入式逻辑分析仪特点特点优点可以灵活的改变缓冲器模式在循环模式或间隔模式采样时，使每次不同的触发均能采到更加精确的数据。每个器件最高支持1024个通道可以支持多个采用通道和很宽的总线模式采样。每个器件支持128K采样存储使每个通道得到更多的采样数据。采样时钟最高可达270MHz可以采集速率更高的数据。资源使用的评价者可以评估逻辑或存储器件的资源使用情况。不需要额外费用SignalTap II logic Analyzer 是Quartus II免费提供的。可对一个器件进行多重逻辑分析可以从一个复杂的时钟信号中分析出想要得到的数据通过一个JTAG接口可对多个器件进行多重的逻辑分析使设计者可以通过一个JTAG接口同步得到多个芯片的数据对每个信号均有10种触发模式可以捕捉到更加复杂的数据信号，更加景区的找到问题的所在。增加的编译可以在综合编译之前对逻辑分析仪进行修改。98Quartus II 嵌入式逻辑分析仪特点特点优点可以灵活的FIR滤波器设计实例滤波器设计实例99FIR滤波器设计实例99一个综合的例子一个综合的例子FIR滤波器的设计Modelsim的使用Quartus II的使用宏功能模块的使用仿真、综合等过程及报告的查看100一个综合的例子FIR滤波器的设计100设计要求设计要求设计一个14阶FIR滤波器，已给出滤波器系数，要求用Verilog/VHDL实现该滤波器，并且选用Altera的Stratix或Stratix II器件。要求充分利用Altera Stratix/Stratix II的器件的DSPBLOCK资源。要求每一级都一级流水线(pipeline)。能够利用Altera的megafunction。能够在Modelsim下进行仿真。选用EP2S60F484C3器件。Fmax达到270Mhz以上。101设计要求设计一个14阶FIR滤波器，已给出滤波器系数，要求用设计难点设计难点难点在于要达到270MHz以上的频率通过插入流水线可以达到要求为了不过分的增加流水线寄存器的数量，需要对FIR滤波器的结构进行精心设计 102设计难点难点在于要达到270MHz以上的频率102直接形式结构直接形式结构 关键路径是关键路径是1 1个乘法器和个乘法器和2 2个加法器个加法器 流水线割集插入流水线寄存器，这样得到的关键路径是流水线割集插入流水线寄存器，这样得到的关键路径是1 1个乘法和个乘法和1 1个加法个加法 103直接形式结构 关键路径是1个乘法器和2个加法器 流水线割集插数据广播结构数据广播结构关键路径是关键路径是1 1个乘法器和个乘法器和1 1个加法器个加法器 流水线割集插入流水线寄存器，关键路径是流水线割集插入流水线寄存器，关键路径是1 1个乘法个乘法 104数据广播结构关键路径是1个乘法器和1个加法器 流水线割集插入设计方案选择设计方案选择寄存器数目寄存器数目关关键路径路径长度度直接形式直接形式结构构39 36个个1个乘法器和个乘法器和1个加法器个加法器数据广播数据广播结构构13 36个个1个乘法器和个乘法器和1个加法器个加法器进一步流水的数一步流水的数据广播据广播结构构27 36个个1个乘法器个乘法器105设计方案选择寄存器数目关键路径长度直接形式结构39 36FIR滤波器的结构滤波器的结构106FIR滤波器的结构106模块划分模块划分乘法器模块乘法器模块：直接用：直接用AlteraAltera的的DSPBLOCK lpm_multDSPBLOCK lpm_mult进行例化进行例化信号名称I/O描述dataaI乘法器输入数据信号，16bit字长databI乘法器输入数据信号，16bit字长resultO滤波器输出数据信号，32bit字长 加法器模块加法器模块：直接用：直接用AlteraAltera的的DSPBLOCK lpm_add_subDSPBLOCK lpm_add_sub进行例化进行例化 顶层模块顶层模块：将乘法器和加法器连接成数据广播结构的：将乘法器和加法器连接成数据广播结构的FIRFIR滤波器滤波器信号名称I/O描述dataaI乘法器输入数据信号，36bit字长databI乘法器输入数据信号，36bit字长resultO滤波器输出数据信号，36bit字长107模块划分乘法器模块：直接用Altera的DSPBLOCK lDSP Blocks for ComplexDSP Blocks for ComplexArithmetic ApplicationsArithmetic ApplicationsWirelessWirelessFiltering&CompressionFiltering&CompressionEncryptionEncryptionSignal ProcessingSignal ProcessingConsum