Quartus II综合电子设计软件全面指南

原创于 2025-07-27 12:39:08 发布 · 310 阅读

CC 4.0 BY-SA版权

简介：Quartus II是Altera公司开发的EDA工具，用于FPGA和CPLD的设计、仿真、综合和编程。教程涵盖界面介绍、项目管理、硬件描述语言、逻辑综合、仿真、适配布局布线、编程下载及高级特性。中文和英文教程资源使学习者能够轻松掌握关键技能，迈向数字电路设计的实践。
Quartus II软件教程，中文，英文俱全

1. Quartus II软件界面介绍

在本章中，我们将开启对Quartus II软件的深入了解之门，首先对软件界面进行介绍。Quartus II，作为一款流行的FPGA和CPLD设计软件，以其强大的功能和用户友好的界面著称。软件界面不仅直观易用，而且集成了设计流程中的所有关键环节，从而提供了从设计输入到芯片编程的无缝体验。

1.1 主界面概览

Quartus II主界面的布局设计是为了确保用户可以快速访问常用功能。界面大致可以分为菜单栏、工具栏、项目导航器、设计视图区和信息显示窗口等几个主要部分。用户在创建新项目或者打开现有项目时，这些部分将协同工作，展示设计的进度和细节。

1.2 设计编辑器和工具

Quartus II提供了多种设计编辑器和工具，包括图形化的HDL编辑器、原理图编辑器、波形编辑器等。这些工具可以用来创建、编辑和调试FPGA和CPLD设计项目。例如，HDL编辑器支持VHDL和Verilog语言，并提供语法高亮、代码折叠等辅助编辑功能，以提高设计效率。

通过本章的学习，您将掌握Quartus II基本界面布局、工具使用和配置方法，为后续深入学习和设计工作打下坚实的基础。

2. FPGA和CPLD项目创建与管理

2.1 项目创建流程

2.1.1 新建项目向导的使用

新建项目向导是设计流程的第一步，它帮助我们初始化项目环境，并为后续的设计活动建立基础框架。以下是使用新建项目向导的基本步骤：

打开Quartus II软件后，点击“File”菜单，选择“New Project Wizard…”开始创建新项目。
在弹出的向导界面中，首先需要为项目命名，并选择项目的存储位置，输入一个合适的项目名称，然后指定项目保存的文件夹路径。
点击“Next”按钮进入下一个向导界面，在这里需要指定目标设备。Quartus II通常会自动检测到已经连接的设备，用户也可以手动选择一个特定的FPGA或CPLD设备。
下一个步骤是添加设计文件。Quartus II提供了多种设计文件类型，比如VHDL、Verilog、Block Diagram/Schematic等。初始时，可以只选择“Create a design file now”选项，以便之后添加或创建设计文件。
最后一步是总结向导所完成的设置。在确认无误后，点击“Finish”按钮完成项目的创建。

2.1.2 项目设置与管理

项目创建后，我们需要对项目进行细致的设置与管理，以确保设计流程的顺畅进行。项目设置与管理包含以下几个方面：

设备选择 ：基于项目需求选择合适的FPGA或CPLD芯片型号。设备选择不仅关系到引脚布局，还会对资源利用和性能产生影响。
项目依赖项 ：检查并管理项目所需的依赖文件，确保所有外部的库和头文件都正确包含在项目之中。
编译器设置 ：根据设计需要调整编译器的参数设置，比如逻辑综合和布局布线阶段的选项。
版本控制 ：项目管理还包括使用版本控制系统来跟踪设计文件的变更，常用工具有Git等。

2.2 项目文件结构与组织

2.2.1 文件类型和作用

FPGA和CPLD项目通常涉及多种类型的文件，每种文件都承担着不同的职责：

Quartus项目文件（.qpf） ：包含了项目级别的配置信息，如目标FPGA/CPLD型号、编译器设置等。
Quartus设置文件（.qsf） ：存储了项目中的各种用户设置，例如源文件列表、引脚分配、编译器选项等。
源代码文件 ：设计逻辑的实现文件，可以是VHDL、Verilog、或AHDL等硬件描述语言文件。
仿真文件 ：用于验证设计功能的仿真测试平台，通常为VHDL或Verilog测试台文件。
约束文件（.sdc） ：定义了项目的时序要求，包括时钟约束、输入输出延迟等关键的时序参数。

2.2.2 文件的添加和删除

在项目开发过程中，可能会根据需要添加或删除一些文件。添加文件通常包括：

导入已有的设计文件。
创建新的设计文件。

删除文件的过程则相对简单：

在Quartus II的项目导航器中选中不需要的文件。
右键点击选择“Remove File from Project”进行删除。

2.2.3 文件的层次结构管理

FPGA和CPLD项目中的文件层次结构管理是保证项目清晰、有序的重要手段。管理文件层次结构可以遵循以下原则：

逻辑分组 ：根据设计模块的功能，将相关的源文件进行分组。
目录结构 ：使用合适的目录结构来存放不同的文件类型或设计模块，比如将所有的测试台文件放在一个名为”testbench”的目录下。
版本控制 ：使用版本控制工具来管理不同版本的设计文件，确保项目的历史状态可以被追溯和回退。

通过良好的文件结构管理，可以极大提高项目后期维护和团队协作的效率。

2.3 项目编译与调试

2.3.1 编译过程和注意事项

项目编译是一个自动化的过程，用于检查设计的语法正确性和将设计映射到目标硬件上。编译过程涉及多个阶段：

分析阶段 ：分析设计文件，如VHDL或Verilog源文件，确保它们符合硬件描述语言的语法规则。
综合阶段 ：将高级硬件描述语言转换成目标FPGA或CPLD的逻辑元件实现，如查找表(LUTs)、触发器等。
适配阶段 ：将综合后的逻辑元件映射到特定的物理元件上，并进行布局布线。
生成编程文件 ：最终阶段生成可以下载到FPGA或CPLD中的编程文件。

在编译过程中需要注意的是：

错误和警告的处理 ：在编译过程中，需要详细查看所有的错误和警告信息，对每个信息进行处理，确保设计能够无误地被编译。
资源利用率和性能评估 ：通过编译报告评估设计的资源利用率和性能指标，这些信息对于后续的设计优化至关重要。

2.3.2 调试过程和技巧

调试是确保设计符合预期的重要步骤。以下是一些调试过程和技巧：

仿真：在实际硬件上测试之前，使用仿真工具如ModelSim对设计进行仿真测试，检查逻辑功能和时序问题。
波形分析 ：在仿真过程中，波形分析可以帮助开发者理解信号的变化过程，快速定位问题。
硬件调试 ：通过使用Quartus II内置的SignalTap逻辑分析仪等工具，在硬件上动态捕获信号状态，对实际运行的设备进行调试。

调试过程中，可能遇到的问题及解决方法包括：

仿真与实际硬件行为不一致 ：这通常是因为仿真时未完全模拟硬件环境导致的，需要检查仿真设置是否与实际硬件环境一致。
时序问题 ：若发现时序问题，需要重新检查时序约束，并在适配阶段进行调整。

通过以上步骤，项目可以被编译和调试，确保最终的设计能够达到预期的目标。

3. 硬件描述语言VHDL和Verilog基础

硬件描述语言（HDL）是用于设计电子系统的计算机语言，它能够描述硬件的结构和行为，进而通过相应的EDA工具转化为实际的硬件。VHDL和Verilog是两种主流的硬件描述语言，广泛应用于FPGA和ASIC的设计中。本章节深入探讨这两种语言的基础知识、语法结构和应用场景。

3.1 VHDL基础

3.1.1 VHDL语言结构概述

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是用于复杂电子系统的建模、仿真和综合的硬件描述语言，其特点是抽象层次高，易于理解。VHDL语言的描述包括实体（entity）、架构（architecture）、配置（configuration）和包（package）等多个部分。

实体（entity）部分定义了模块的接口，包括输入输出端口，以及与外部模块交互的信号。
架构（architecture）部分描述了实体内部的逻辑功能，可以使用结构化（structural）或行为化（behavioral）的描述方式。
配置（configuration）用于指定特定实体架构的实例化。
包（package）则包含了可以在多个设计单元中复用的声明。

以下是一个简单的VHDL实体和架构的例子：

entity and_gate is
    port(
        a : in bit;
        b : in bit;
        y : out bit
    );
end and_gate;

architecture dataflow of and_gate is
begin
    y <= a and b;
end dataflow;

在这个例子中， and_gate 是实体的名字，它定义了两个输入端口 a 和 b ，以及一个输出端口 y 。在架构 dataflow 中，描述了门级电路的行为，即输出 y 是输入 a 和 b 的逻辑与结果。

3.1.2 实体和架构的基本概念

实体（entity）可以看作是模块的接口定义，它定义了模块的对外接口，即端口。在VHDL中，端口可以是输入(input)、输出(output)或者双向(input/output)。端口声明的语法如下：

entity entity_name is
    port(
        port_name_1 : mode type;
        port_name_2 : mode type;
        ...
    );
end entity_name;

架构（architecture）是实体的具体实现，它通过一系列的语句和描述来实现实体中声明的逻辑功能。架构的开始和结束由 architecture body_name of entity_name is...end architecture; 定义，其中 body_name 是架构的名字， entity_name 是对应的实体名。

在架构中可以使用各种描述方式，包括数据流（dataflow）、行为（behavioral）和结构（structural）描述。例如，上述的 and_gate 例子采用了数据流方式描述，其中 <= 符号是赋值操作符，表示当赋值语句右边的逻辑表达式成立时，左边的信号会被赋值。

3.2 Verilog基础

3.2.1 Verilog语法要点

Verilog是一种被广泛使用的硬件描述语言，用于模拟电子系统，特别是数字电路。Verilog具有较强的模拟性和仿真性，语法简单直观，易于上手。

模块（module）是Verilog设计的基本单位，它定义了接口和功能。
输入输出声明（input/output）用于定义模块的端口类型。
实例化（instantiation）是将模块应用到系统中的过程。

这里给出一个简单的Verilog与门例子：

module and_gate(input a, input b, output y);
    assign y = a & b;
endmodule

在这个例子中， and_gate 是模块的名字，它定义了一个与门的行为。 input 和 output 关键字用于声明模块的端口，而 assign 语句用于描述门级行为， & 是逻辑与操作符。

3.2.2 模块和端口的使用

在Verilog中，模块是构建数字电路的基本单元。模块的端口可以是输入、输出或双向端口。端口列表在模块的开始处声明，并在模块体内使用。

module full_adder(
    input a,
    input b,
    input cin,
    output sum,
    output cout
);
    assign sum = a ^ b ^ cin;
    assign cout = (a & b) | (b & cin) | (a & cin);
endmodule

在上述 full_adder 模块的例子中，定义了一个全加器的逻辑功能，其中包含三个输入端口（ a , b , cin ）和两个输出端口（ sum , cout ）。模块内使用 assign 语句来定义输出与输入之间的逻辑关系。

模块的实例化类似于编程中的函数调用，可以将一个模块与其它模块连接起来。实例化时需要指定端口的连接顺序或使用命名连接方式，确保端口之间的正确对接。

这两种硬件描述语言提供了构建和描述数字逻辑电路的强大工具。根据设计的复杂性和团队的习惯，设计师可以选择适合的设计语言。接下来，我们将深入探讨如何综合这些硬件描述语言，并优化生成的逻辑设计。

4. 逻辑综合过程与优化策略

在数字电路设计中，逻辑综合是一个将高级设计描述（如VHDL或Verilog代码）转换为门级网表的过程。这一过程对于FPGA和ASIC设计至关重要，因为它直接影响到最终电路的性能、功耗和面积。本章将详细探讨逻辑综合的基本概念和优化策略。

4.1 逻辑综合的基本概念

4.1.1 综合流程详解

逻辑综合过程通常可以划分为几个主要阶段：解析、逻辑优化、映射、布局和布线。在解析阶段，综合工具读取硬件描述语言(HDL)源文件，并创建一个内部的逻辑表示。逻辑优化阶段对逻辑表达式进行优化，以减少所需的逻辑门数量并改善性能。映射阶段将优化后的逻辑表达式转换为特定FPGA或ASIC工艺库中的逻辑元素。布局阶段决定逻辑元素在物理芯片上的位置，而布线阶段则确定这些元素之间的连接路径。

4.1.2 约束条件的设定

约束条件是指导逻辑综合过程的重要参数，它定义了设计的时序要求、引脚分配、功耗目标等。时序约束确保了电路满足指定的时钟频率和时钟域交叉要求。引脚约束指导了I/O元件在物理设备上的位置。而功耗约束则要求综合工具在满足其他所有条件的同时，尽可能降低功耗。正确设定和应用这些约束条件对于综合出一个成功的设计至关重要。

4.2 综合优化技巧

4.2.1 提高性能的优化方法

为了提高电路性能，综合工具通常会采用一系列的优化技术。比如，逻辑复制可以减少关键路径上的延迟，因为数据可以在多个路径上并行处理。另一种技术是逻辑重定时，它通过改变寄存器的位置来优化时序。使用查找表（LUT）合并可以减少资源的使用，但要小心平衡资源利用率和电路性能。

graph TD;
    A[开始综合] --> B[解析HDL代码]
    B --> C[逻辑优化]
    C --> D[映射到工艺库]
    D --> E[布局]
    E --> F[布线]
    F --> G[完成综合]

4.2.2 减小面积的优化策略

在FPGA中，资源的使用通常与成本直接相关，因此优化设计以减小面积可以带来显著的经济效益。通过优化冗余逻辑消除不必要的逻辑门，可以减少面积。技术如寄存器合并减少了所需的寄存器数量。逻辑打包技术可以将多个逻辑功能整合到单一的查找表中。在进行面积优化时，需要注意不要过分压缩逻辑以致影响电路的性能和时序。

graph LR;
    A[设计输入] --> B[综合优化]
    B --> C[面积优化]
    C --> D[面积评估]
    D --> |不满足| B
    D --> |满足| E[生成网表]

优化策略的选择取决于设计的目标和约束条件。一个设计可能同时需要高性能和低面积，但这两者往往是相互矛盾的。因此，在进行优化时，设计者必须在不同的需求之间做出权衡。在本章节中，我们将通过具体的案例分析这些优化技术的实际应用，并展示如何在保持性能的同时减小设计的面积。

5. ModelSim仿真器使用与波形分析

5.1 ModelSim仿真环境配置

5.1.1 ModelSim安装与设置

ModelSim 是一款广泛使用的硬件仿真器，它支持 VHDL 和 Verilog 语言，是 FPGA 开发中不可或缺的仿真工具之一。在开始使用 ModelSim 进行项目仿真之前，需要先进行安装和基本的环境配置。

安装过程通常包括下载安装包、运行安装向导以及配置安装路径和相关选项。在安装时，推荐选择完整安装（Full Installation）以确保所有功能都可用，特别是对于初学者来说，完整的安装包可以避免后续因为缺少某些组件而导致的问题。

环境设置主要是配置 ModelSim 的工作目录，以及设置项目的库路径（Library Path）。配置工作目录是为了确保所有的仿真文件都能被正确地组织和管理。在 ModelSim 中，库是一些用于存储仿真对象如设计单元、测试平台等的结构。设置库路径的目的是为了让 ModelSim 在编译仿真文件时能够找到正确的文件位置。

安装和配置完成后，应通过一个简单的测试项目来验证安装是否成功。例如，可以创建一个简单的 VHDL 或 Verilog 测试模块，编写相应的测试平台（Testbench），然后进行编译和仿真。观察仿真结果，如果能够正常显示预期波形，则说明 ModelSim 已经成功安装并配置完毕。

5.1.2 仿真项目的创建和管理

在 ModelSim 中创建仿真项目，可以遵循以下步骤：

打开 ModelSim，选择 “File” -> “New” -> “Project…”。
在弹出的 “New Project Wizard” 对话框中输入项目名称，并选择项目存储位置。
在 “Project Type” 选项中选择 “Empty Project”。
点击 “Next”，然后点击 “Finish” 创建项目。

创建项目后，就可以添加源文件和库了。添加源文件的步骤如下：

右键点击项目名，选择 “Add to Project…”。
在弹出的对话框中，选择相应的 VHDL 或 Verilog 源文件，并加入项目。

库的管理也很重要，特别是在复杂的项目中，合理的库管理可以极大提高工作效率：

在项目树（Project Navigator）中，右键点击 “Libraries”，选择 “New Library…”。
输入库名并选择库路径，然后点击 “OK” 完成创建。
将源文件添加到对应的库中，这样 ModelSim 在仿真时能够正确地定位和编译这些文件。

项目创建和管理完成后，就可以进行仿真操作了。在仿真之前，需要进行编译。ModelSim 提供了编译命令，可以手动执行，也可以通过 GUI 界面的按钮来完成编译过程。

代码块展示与分析

以下是一个简单的 VHDL 测试平台（Testbench）示例代码块，用于演示如何在 ModelSim 中进行仿真。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity testbench is
-- Testbench entity has no ports
end testbench;

architecture behavior of testbench is
    -- Component Declaration for the Unit Under Test (UUT)
    component my_dut
        port(
            input_signal : in  std_logic;
            output_signal: out std_logic
        );
    end component;
    -- Signals for connecting the DUT
    signal input_signal:  std_logic := '0';
    signal output_signal: std_logic;

    -- Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    uut: my_dut port map (
        input_signal  => input_signal,
        output_signal => output_signal
    );
    -- Start simulation process
    begin
        -- Stimulus process
        stim_proc: process
        begin
            -- hold reset state for 100 ns.
            wait for 100 ns;
            input_signal <= '1';
            wait for 100 ns;
            input_signal <= '0';
            wait for 100 ns;
            -- Wait for simulation to end
            wait;
        end process;
    end;

在上述代码中，我们定义了一个无端口的测试平台，它包含了一个待测试的单元（DUT）的实例。我们创建了一个信号列表来连接 DUT 的端口，并定义了一个仿真过程来提供测试信号。这样的测试平台可以用来验证 VHDL 设计的正确性。

5.2 波形分析与调试

5.2.1 波形查看窗口使用

ModelSim 提供了一个直观的波形查看窗口，它允许用户以图形化的方式观察和分析仿真过程中信号的变化。要打开波形查看窗口，首先需要进行编译并运行仿真，得到仿真结果后，按照以下步骤操作：

在仿真运行结束后，右键点击想要观察的信号名称。
选择 “Add to Wave”。
波形查看窗口将自动打开，显示你添加的信号。

波形查看窗口中，水平轴表示时间，信号的变化会以不同的颜色线段显示在窗口中。用户可以缩放时间轴、滚动查看不同的时间区间，以及调整波形的显示高度。

用户还可以对波形进行分组，将相关的信号放置在同一个组中，以便于管理和观察。此外，ModelSim 提供了波形的过滤和搜索功能，用户可以通过输入信号名的部分或全部字符快速定位信号。

5.2.2 信号追踪与仿真调试技巧

在波形查看窗口中，ModelSim 提供了强大的信号追踪功能，可以用于快速定位和分析问题。在仿真过程中，如果发现信号值不符合预期，可以使用以下技巧进行调试：

暂停仿真 ：在仿真运行时，可以暂停仿真，这样就可以手动检查波形的变化，而不必等到仿真结束。
单步执行 ：ModelSim 允许用户单步执行仿真，观察信号变化的每一个细节。这对于复杂的同步问题特别有帮助。
信号标注 ：通过右键点击波形信号，并选择 “Add to ‘Wave’->’Marks’“，可以在特定的信号变化位置添加标注，这样在分析波形时可以快速定位到关键点。
查看信号值 ：在波形窗口中，选中某个特定时间点，ModelSim 会显示该时间点所有信号的值。这对于问题定位非常有用。
使用断点 ：在仿真过程中，可以在波形窗口中设置断点，当仿真达到这些断点时自动暂停。这样可以观察在特定操作之后的信号变化。
比较波形 ：ModelSim 支持比较不同波形窗口的数据，这对于验证不同仿真运行结果的一致性特别有帮助。

通过上述技巧，结合波形查看窗口的直观显示，开发者可以更有效地识别和解决硬件设计中的问题。正确地使用 ModelSim 进行波形分析与调试，不仅可以节省时间，还可以提高设计的可靠性。

表格展示

为了更好地组织和展示波形分析的技巧，可以使用以下表格：

技巧	说明
暂停仿真	在仿真运行过程中暂停，便于检查和分析信号值的变化。
单步执行	逐个仿真周期执行仿真，观察信号的逐个变化细节。
信号标注	为关键信号变化点添加标注，便于快速定位。
查看信号值	在波形窗口中查看选中时间点的所有信号值，有助于问题定位。
使用断点	设置断点暂停仿真，检查特定仿真周期结束后的信号值。
比较波形	比较不同波形窗口的数据，验证仿真结果的一致性。