FPGA开发入门教程
FPGA开发流程介绍及实例讲解
FPGA开发流程介绍及实例讲解
首先是需求分析阶段，这是FPGA开发流程的第一步。
在这个阶段，
需要明确项目的需求和目标，明确设计的功能要求、性能要求和接口要求等。
例如，我们准备设计一个用于图像处理的FPGA模块，需求分析阶段
需要确定模块的输入输出接口，比如图像输入接口和处理结果输出接口。
接下来是设计阶段，这是FPGA开发流程的核心步骤之一、在设计阶段，根据需求分析的结果，开始进行FPGA电路的设计。
这包括使用HDL （硬件描述语言）进行电路设计和编写。
例如，我们可以使用VHDL或Verilog编写图像处理模块的逻辑电路代码，包括图像处理算法的具体实
现和数据传输的控制逻辑。
然后是验证阶段，这是确保FPGA设计的正确性和功能性的重要阶段。
在验证阶段，可以使用仿真工具来验证设计的正确性，并进行功能验证和
性能评估。
例如，我们可以使用ModelSim等仿真工具来对图像处理模块
进行仿真测试，模拟输入图像并检查输出结果是否符合预期。
接下来是综合与布局布线阶段。
在这个阶段，使用综合工具将设计代
码转化为FPGA器件的基本模块和逻辑门级的网表表示。
然后，使用布局
布线工具在FPGA器件上布置电路并进行布线。
这个阶段的目标是将设计
代码映射到物理硬件资源上，并满足时序和资源约束。
例如，我们可以使
用Xilinx ISE或Quartus Prime进行综合和布局布线操作。
《FPGA入门学习》课件
LED闪烁设计
总结词
通过LED闪烁设计，掌握FPGA的基本控制功能和数字逻辑设计。
详细描述
LED闪烁设计是FPGA入门学习的基本项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA的基本控制功能 ，掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。LED闪烁设计通常涉及到LED灯的驱动和控制，需要学习者 掌握基本的数字逻辑门电路和时序控制。
FPGA具有并行处理和高速计算的优点，适 用于数字信号处理中的实时信号处理和算 法加速。
数字滤波器设计
频谱分析和正交变换
FPGA可以实现高性能的数字滤波器，如 FIR滤波器和IIR滤波器，用于信号降噪和特 征提取。
FPGA可以高效地实现FFT等正交变换算法 ，用于频谱分析和信号频率成分的提取。
图像处理应用
优化设计技巧
时序优化
讲解如何通过布局布线、时序分析等手段优化 FPGA设计，提高时序性能。
资源共享
介绍如何通过资源共享减少FPGA资源占用，提 高设计效率。
流水线设计
讲解如何利用流水线设计技术提高系统吞吐量。
硬件仿真与调试技术
仿真工具使用
介绍常用HDL仿真工具（如ModelSim）的使用方法 。
03
CATALOGUE
FPGA开发实战
数字钟设计
总结词
通过数字钟设计，掌握FPGA的基本开发流程和硬件描述语言的应用。
详细描述
数字钟设计是FPGA入门学习的经典项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA开 发的基本流程，包括设计输入、综合、布局布线、配置下载等。同时，数字钟设计也涉 及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用，学习者可以掌握基本的逻辑设计和
基础语言。
FPGA开发流程
FPGA入门培训教材共45张PPT课件
# STEP#4: run router, report actual utilization and timing, write checkpoint design, run drc, write verilog and xdc out route_design write_checkpoint -force $outputDir/post_route report_timing_summary -file $outputDir/post_route_timing_summary.rpt report_timing -sort_by group -max_paths 100 -path_type summary -file $outputDir/post_route_timing.rpt report_clock_utilization -file $outputDir/clock_util.rpt report_utilization -file $outputDir/post_route_util.rpt report_power -file $outputDir/post_route_power.rpt report_drc -file $outputDir/post_imp_drc.rpt write_verilog -force $outputDir/bft_impl_netlist.v write_xdc -no_fixed_only -force $outputDir/bft_impl.xdc
FPGA学习步骤
FPGA学习步骤FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程的数字逻辑设备，具有强大的计算能力和灵活性。
学习FPGA涉及多个方面的知识和技能，以下是一个学习FPGA的步骤。
1.学习数字电路基础知识：学习数字逻辑、组合逻辑、时序逻辑、时钟域等基础知识。
了解逻辑门、多路选择器、编码器、解码器等基础组件的工作原理和常见应用。
2. 学习HDL语言：FPGA设计通常使用硬件描述语言（HDL）进行，如VHDL或Verilog。
学习HDL语言的基本语法、数据类型、运算符以及模块化设计方法。
掌握HDL语言的基本语法和常用语句，能够编写简单的模块。
同时，了解设计模块之间的连接和通信方式。
3. 熟悉开发工具：选择一款FPGA开发工具，如Xilinx ISE、Altera Quartus等，并熟悉其使用方法。
掌握工具的安装、项目的创建、仿真、烧写等基本操作。
了解工具中提供的IP核和库函数，以及如何使用这些资源来简化设计过程。
4.学习FPGA体系结构：了解FPGA的基本组成元件和工作原理，包括可编程逻辑单元（PLU）、片上存储器（BRAM）和片上时钟管理等。
熟悉FPGA的时序特性和时钟域设计方法，掌握时钟驱动设计的原则和技巧。
5.设计简单的数字逻辑电路：从简单的数字逻辑电路开始，如全加器、加法器、乘法器等。
通过HDL语言编写这些电路的设计和仿真测试，然后在FPGA上实现并验证电路功能。
通过不断实践，加深对数字逻辑电路设计和FPGA实现的理解。
6.学习FPGA高级应用：掌握FPGA高级应用的设计方法，如时序逻辑设计、状态机设计、数据通路设计等。
了解时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、空分复用（SDM）等常用数据传输方式的原理。
学习高级FPGA设计技术，如流水线设计、多周期设计、并行设计等。
7.学习FPGA外设接口：了解FPGA的外设接口标准，如UART、SPI、I2C、PCIe等，以及各种外设的工作原理和接口电路设计。
如何入门FPGA
如何入门FPGAFPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以按需编程、配置和重构。
学习和掌握FPGA技术对于想要从事数字电路设计、嵌入式系统开发、通信系统设计等领域的人来说非常有价值。
以下是如何入门FPGA的步骤和建议。
1.学习数字电路基础知识：在学习FPGA之前，了解数字电路的基础知识将非常有帮助。
理解基本的逻辑门（与门、或门、非门等）和组合逻辑电路、时序逻辑电路的概念和工作原理。
可以通过读书、参加相关的课程或在线学习平台来学习这些基础知识。
2. 了解FPGA的工作原理：FPGA是由大量的可编程逻辑单元（Look-up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops，FFs）组成的。
学习FPGA的基本结构和原理，涉及到配置位文件（Configuration Bitstream）的生成和加载，以及时钟、信号输入输出等方面的知识。
4. 学习HDL编程语言：FPGA编程使用的主要是硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL），如VHDL（VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。
选择其中一种HDL语言进行学习，并通过编写一些简单的逻辑电路代码来熟悉语法和使用方式。
6.实践项目：通过动手实践一些简单的项目，如实现基本的逻辑电路或时序电路，来巩固所学的知识。
可以在官方的开发工具中找到一些示例项目，并根据自己的兴趣和学习目标来选择适合自己的项目。
7.参加培训或课程：如果有条件的话，参加FPGA相关的培训或课程可以帮助深入理解FPGA的概念和应用。
有些在线学习平台也提供了一些免费或付费的FPGA课程，可以根据自己的需要选择适合自己的课程。
8.参考资料和社区支持：在学习FPGA的过程中，参考相关的书籍、教程、文档和网上资料很重要。
此外，加入FPGA相关的技术论坛或社区，与其他的FPGA爱好者和专业人士交流和分享经验，可以帮助解决问题和扩展自己的知识。
FPGA开发入门教程
FPGA开发入门教程FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可重新配置的集成电路，能够根据用户需求实现不同的功能。
作为硬件开发的重要技术之一，FPGA具有灵活性高、性能强、功耗低等优点，因此受到了广泛的关注和应用。
本文将介绍FPGA开发的入门教程，帮助初学者快速上手FPGA开发。
第一步：了解FPGA第二步：选择开发工具和开发板FPGA开发需要选择合适的开发工具和开发板。
常用的FPGA开发工具有Xilinx的Vivado和Altera的Quartus等。
这些工具提供了图形化界面以及一些示例代码，方便用户进行开发和调试。
开发板是用户在FPGA开发中搭建硬件平台的重要部分，通过开发板可以将FPGA芯片与其他外设相连接，进行实际的验证和测试。
选择开发工具和开发板时要考虑到自己的需求和预算。
第三步：学习HDL编程语言HDL（Hardware Description Language）是用于描述数字电路的编程语言，FPGA开发中常用的HDL有Verilog和VHDL。
要掌握FPGA开发，我们必须学习和熟悉HDL编程语言。
HDL语言可以描述数字电路的结构、功能和时序等信息，通过HDL编写的代码可以被FPGA开发工具转化成对应的硬件电路。
学习HDL编程语言需要掌握其语法规则和基本概念，理解时序逻辑和组合逻辑的原理，并通过练习和实践进行巩固。
第四步：学习FPGA开发流程第五步：完成第一个FPGA项目通过以上几个步骤的学习和实践，我们已经具备了进行FPGA开发的基本能力。
接下来我们可以尝试完成一个简单的FPGA项目，例如实现一个LED闪烁的功能。
我们可以使用HDL语言编写一个简单的计数器，将计数值输出到FPGA开发板上的LED灯，通过改变计数值的频率实现LED的闪烁。
完成这个项目可以加深对FPGA开发流程的理解，并为后续更复杂的项目奠定基础。
总结FPGA开发入门需要掌握FPGA的基本概念和工作原理，选择合适的开发工具和开发板，学习HDL编程语言，了解FPGA开发流程，并通过实践完成一个简单的FPGA项目。
FPGA初级入门课程
仿真：使用 Ve r i l o g 仿 真 工具对网表文 件进行仿真， 验证设计是否 符合预期。
综合：使用 Ve r i l o g 综 合 工具将网表文 件综合成门级 网表，用于后 续布局布线和
实现。
布局布线：使 实现：使用 用Verilog布 Verilog实现 局布线工具对 工具将物理级 门级网表进行 网表实现成具 布局布线，生 体的FPGA器 成物理级网表。 件，完成设计。
下载与配置
下
载
FPGA开
发工具
安
装
FPGA开
发工具
配
置
FPGA开
发环境
导
入
FPGA设
计文件
编
译
FPGA设
计文件
下
载
FPGA配
置文件到
目标板
Part Six
FPGA应用实例
LED闪烁控制实例
添加标题
硬件需求：FPGA开发板、LED灯、电阻
添加标题
软 件 需 求 ： F P G A 开 发 环 境 、 Ve r i l o g 语 言
添加标题
扩展应用：可以扩展到其他LED控制应用，如LED条形图、LED点阵显示等
数码管显示实例
数码管简介：由多个发光二极管组成，用于显示数字和字符 数码管驱动：FPGA通过控制数码管的阳极和阴极来显示不同的数字和 字符 实例一：使用FPGA实现数码管动态显示，如倒计时、时钟等
实例二：使用FPGA实现数码管字符显示，如显示文字、图标等
仿真验证：使用仿真工具， 对VHDL代码进行仿真验 证
综合优化：对VHDL代码 进行综合优化，提高性能 和可靠性
布局布线：将优化后的 VHDL代码布局布线到 FPGA芯片上
《FPGA入门学习》课件
FPGA基础知识
硬件描述语言HDL FPGA的逻辑单元 FPGA的时钟网络
使用HDL编写硬件描述，描述FPGA的功能和 逻辑。
FPGA由大量逻辑单元（Look-Up Tables）和 触发器组成，用于实现各种逻辑功能。
时钟网络是FPGA中一种重要的信号分发网络， 用于同步各个逻辑单元的操作。
FPGA在医疗器械中实现数据 采集、信号处理和控制等关 键功能。
FPGA在军事装备中 的应用
FPGA可用于军事雷达、通信 设备、导航系统等关键领域， 在高可靠性和性能要求下发 挥作用。
总结
FPGA的未来发展
FPGA技术将随着科技的进步不断发展，将在更 多领域发挥重要作用。
FPGA入门学习路线图
通过按照学习路线图逐步学习，您可以掌握 FPGA开发的核心知识和技能。
FPGA的优缺点
FPGAs具有高度灵活性和 可重配置性，但其资源利 用率和功耗可能相对较高。
FPGA的应用领域
FPGAs广泛应用于通信、 嵌入式系统、信号处理、 图像处理等领域。
开发环境准备
FPGA开发板
选择适合您需求的FPGA开发 板以进行实验和项目开发。
Quartus Prime软件 安装
安装Intel提供的Quartus Prime软件用于FPGA的设计 和编程。
《FPGA入门学习》PPT课 件
FPGA入门学习是介绍Field-Programmable Gate Array（可编程门阵列）的 课程。本课件将帮助你了解FPGA的基础知识、开发环境准备以及FPGA的应 用领域。
简介
什么是FPGA
FPGA是一种可编程硬件， 可以根据需要被重新编程 和配置以执行不同的功能。
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Altera FPGA开发入门教程目录目录第一章 Altera FPGA 开发流程概述 (1)1.1 你需要准备的 (1)1.2 Altera FPGA 基本开发流程 (1)第二章 QuartusII 软件安装教程 (4)第三章 完成第一个FPGA设计 (20)3.1 启动和建立QuartusII工程 (20)3.2 编辑我们的设计文件 (27)3.3 综合、布局布线 (30)3.4 引脚约束 (34)3.5 再次综合、布局布线 (37)第四章 配置FPGA (38)4.1 JTAG配置 (38)4.2 JIC烧写 (42)第一章Altera FPGA 开发流程概述本章介绍Altera FPGA的最基本最简单的开发流程，目的在于让您更直观了解FPGA开发设计过程，最快上手FPGA开发，最快找到感觉：-）1.1你需要准备的●兴趣无需多言，兴趣是最好的老师！●基本电路知识学习FPGA最好能懂一些模拟电路和数字电路的基础知识，比如知道什么是高电平、低电平、逻辑门、触发器、电阻电容、发光二极管等。
只需基本概念即可，不要求你是专家。
当然，如果你有单片机之类的开发经验，那会更好！●Verilog语言是的，我们用Verilog进行FPGA设计。
因为近年来，Verilog的使用率已经远远超过VHDL。
你不需要太精通Verilog的语法，但是你需要用硬件的思维来学习和使用Verilog。
在接下来的FPGA学习中，我们会反复强调这一点，以便带给你更深的体会。
●硬件平台纸上得来终觉浅。
一块优秀而又易用的入门级FPGA开发板，会祝您一臂之力！1.2A ltera FPGA 基本开发流程图1- 1展示了Altera FPGA的基本开发流程。
12图1- 1 Altera FPGA 基本开发流程这个流程可能是你看过类似教程中最简单的流程。
是的，为了让学者能直观了解FPGA 设计流程、快速入门，我们简化了一些东西，但它已经基本完整了。
图1- 1分为左右两个虚线框，其中左侧虚线框内的步骤是必须步骤，右侧虚线框内的步骤是可选步骤。
需要特别说明的是，“可选步骤”并非“不重要步骤”，相反，它很重要，至于为什么重要，你将在以后的章节中逐步了解。
通常，我们对任何事物的理解都是从框架开始的，然后再逐步细分、深入。
对于FPGA 设计，我们也先从认识它的大概框架（基本设计步骤）开始，然后再详细介绍这些步骤。
下面简要介绍必须步骤的概念。
（1）创建工程创建工程的目的是告诉工具软件（对于Altera家的工具软件，指QuartusII软件）一些基本的信息，比如你打算使用的FPGA型号等。
此外，工程文件将帮你管理一系列与该工程有关的文件和设置（或约束）。
（2）设计输入这个步骤其实就是“编程序”。
当然，用“设计”这个词会更确切——因为完成的程序里包含了个人的设计思维，不是照本宣科，你是在“设计”电路，FPGA里的电路。
设计要用到的语言就是Verilog语言了。
（3）综合、布局布线没错，我把两个步骤合在一起了。
因为这两个步骤是QuartusII软件帮我们完成的，一般不需要我们做什么。
综合、布局布线后会生成“报告”，里面一般会有Warnings 和Errors。
这些报告信息会辅助你修改你设计中的bug。
（4）配置“配置”这个词也许你听着觉得有点别扭，那就换个说法，叫做“下载”或者“烧程序”吧。
可是在FPGA中，“配置”还是一个比较复杂的活。
这个会在第四章里做详细介绍。
上面介绍的这些只是最基本的步骤（大概框架），让你对FPGA的设计流程有个基本认识，有了这些概念，就可以开始FPGA设计了。
下一章将教你如何安装QuartusII软件。
34第二章 QuartusII 软件安装教程本章以QuartusII 12.0为例，手把手教你如何安装和激活QuartusII 软件。
安装QuartusII 12.0，需要以下三个软件包（如图2- 1所示）：图2- 1 QuartusII 12.0 必备安装包三个软件包可以到以下百度网盘下载：链接:/share/link?shareid=468601&uk=1362133752密码:h69f这三个软件包分别为“主程序”、“器件库”和“激活工具”。
整个安装步骤也分成三大部分，分别为“主程序安装”、“器件库安装”和“激活”。
下面分别介绍这三个部分的具体操作。
2.1 主程序安装首先双击“主程序”文件，显示如图2- 2。
图2- 2安装文件需要解包到一个临时文件夹，请选择一个临时文件夹，并且保证有足够的空间（至少5G吧）解包完成后，自动打开正式的安装程序（如图2- 3所示）：56图2- 3一路点击“Next ”，直到出现如下界面。
此时，要求选择Quartus 的安装路径（图2- 4）：7图2- 4这里可以选择安装到d 盘、e 盘等，但是不建议更改默认路径，尤其是要保证路径中没有空格、中文字符，因为QuartusII 不识别这些字符作为路径。
指定完路径后，点击Next ，状态如图2- 5。
8图2- 5选择安装内容。
在QuartusII 12.0版本中，简化了安装内容的选项。
NiosII 工具和QuartusII 工具捆绑在一起安装。
如果不安装64位的版本，则直接点击Next ，安装程序开始解压复制文件。
完成后，显示如下对话框（图2- 6）：9图2- 6点击OK 即可，安装程序会询问是否需要删除临时文件夹（图2- 7）：图2- 7为了节省空间，可以选择Yes 来删除临时文件夹。
接着显示安装完成（图2- 8）：10图2- 8桌面上出现两个图标，分别为QuartusII 工具和NiosII 工具（图2- 9）。
图2- 9先不要急着点击上面两个软件图标，因为QuartusII 软件还没有完全安装完成（以上只是完全了第一部分“主程序的安装”）。
下面介绍第二部分——器件库的11安装。
2.2 器件库安装双击器件库安装程序，开始安装器件库。
与第一部分相同，一样要选择一个临时文件夹，解开安装程序，一路Next ，直到请用户选择安装器件（图2- 10）：图2- 10如果硬盘空间充足，可以按默认状态安装所有的器件。
注意，高端器件Stratix 系列并不包含在这个器件库中，如需安装需要另外下载。
一路Next 到出现下面的界面，表示器件库安装完成（图2- 11）：12图2- 11点击Finish 完成安装。
接下来需要激活。
注意，此时仍然不要打开QuartusII 工具和NiosII 工具，否则可能导致激活失败。
下面介绍第三个部分——激活。
2.3 激活先关闭杀毒软件，然后双击“破解工具”的压缩包。
运行“破解器”（图2- 12）：图2- 12打开激活工具（图2- 13）：图2- 13直接点击“应用”，跳出如下对话框（图2- 14）图2- 14点击“是”，人工指定位置：1314图2- 15找到刚才安装QuartusII 主程序的目录下的bin 文件夹，点选“sys_cpt.dll ”（图2- 16）：图2- 16接着指定生成license文件的存储位置。
这个可以随意选择。
本例子中选择存放在c:\altera\12.0目录下。
点击保存。
生成license文件后，打开桌面上QuartusII图标，显示需要对license进行配置：图2- 17选择最后一项，指定license文件，点击Ok，此时出现license管理窗口（图2- 18）：15图2- 18在窗口的下方“Network Interface Card (NIC) ID”框中会显示网卡的mac地址。
如果你的电脑有多个网卡（比如有线网卡和无线网卡），则它会显示多个mac地址。
随意选中其中一个mac地址，并且Ctrl+C复制。
此时随即用记事本打开刚才破解工具生成的license文件（图2- 19）16图2- 19把license文件中的xxxxxx用网卡的mac地址代替掉，如上图所示，保存更改后的license文件。
回到Quartus的license管理窗口，在第一行License file里指定刚才更改好的license文件（图2- 20）：17图2- 20点击ok，此时QuartusII主界面会启动，安装和激活完成（如下图）。
至此，QuartusII 软件安装完成！（图2- 21）18第二章 QuartusII 软件安装教程19图2- 21第三章进行第一个FPGA设计本章将引导您使用Altera Quartus II软件进行第一个FPGA设计。
本章以一个简单的小实验为例，介绍Quartus II软件从启动，建立工程，编辑设计文件，编译、引脚约束，的全部过程，为刚开始选择Altera公司CPLD/FPGA芯片，使用Quartus II软件做开发的同学提供了一个简洁明了的直观印象。
本章以及后续过程使用的QuartusII软件均以12.0版本为例。
其他版本的QuartusII，操作步骤大同小异。
3.1启动和建立QuartusII工程首先，打开Quartus II软件，显示整体界面如图3- 1所示。
选择File – New Project Wizard，也即新建工程向导。
2021图3- 1 QuartusII 主界面选择新建工程向导之后，会出现新建工程向导的介绍部分，如图3- 2所示。
此介绍主要主要说明了新建工程向导的作用，你也可以选择勾上左下角的"Don't show me this introduction again"选项，选择以后新建工程时不再出现这个鸡肋的过程。
22图3- 2 新建工程向导-介绍接下来开始正是新建工程。
点击图3- 2右下角的"NEXT"，出现图3- 3的界面。
这一步的主要目标是设置工程存放文件夹的路径，工程名称以及顶层实体的名称。
工程路径的默认是在Quartus II 的安装路径下，请点击右边的“..."按钮设置新的路径。
由于QuartusII 是从Unix 系统移植的工具软件，因此文件夹的路径和文件名有一定要求。
简单说，就是文件夹名和文件名不要有中文和空格，这点十分重要，不然会出现许多莫名其妙的错误。
我们在d 盘下建立一个名为and_gate 的文件夹（或目录，接下来我们不区别“文件夹”和“目录”这两种说法），并选择它作为工程目录（也可以不手动建立，将会在下一步提示自动建立）。
图3- 3 新建工程向导-工程文件夹和名称设置设置完工程目录的路径后，请在第二个文本框内填入工程名称（project name）。
这里填入and_gate。
这时QuartusII软件会在第三个文本框内自动完成顶层模块的名称，和工程名称一样。
注意，顶层模块的名称不一定要和工程名称一样，但请记住它，后面会用到。