FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)軟件Quartus II的使用技巧之： 典型實(shí)例-SignalTap II功能演示

5.10??典型實(shí)例9：SignalTap?II功能演示

5.10.1??實(shí)例的內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例的主要內(nèi)容

本節(jié)旨在通過給定的工程實(shí)例——“正弦波發(fā)生器”來熟悉Altera?Quartus?II高級(jí)調(diào)試功能SignalTap?II和Intent?Memory?Content?Editor的使用方法。同時(shí)使用基于Altera?FPGA的開發(fā)板將該實(shí)例進(jìn)行下載驗(yàn)證，完成工程設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)。在本節(jié)中，將主要講解下面知識(shí)點(diǎn)。

·??Quartus?II原理圖輸入方式。

·??Quartus?II約束設(shè)計(jì)。

·??Quartus?II工程編譯。

·??Quartus?II硬件下載。

·??SignalTap?II在線調(diào)試。

·??Intent?Memory?Content?Editor在線修改片上ROM數(shù)據(jù)。

通過這些知識(shí)點(diǎn)，按照實(shí)例的流程，讀者可以迅速地掌握使用Quartus?II軟件高級(jí)調(diào)試技巧。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過詳細(xì)的流程講解，讀者應(yīng)達(dá)到下面的目標(biāo)。

·??熟悉Quartus?II原理圖設(shè)計(jì)方法。

·??熟悉SignalTap?II在線調(diào)試方法。

·??熟悉Intent?Memory?Content?Editor在線修改片上ROM數(shù)據(jù)的方法。

5.10.2??實(shí)例詳解

本實(shí)例將使用圖解的方式將整個(gè)流程一步一步展現(xiàn)給讀者，使讀者能夠輕松掌握開發(fā)的流程。

5.10.2.1??工程系統(tǒng)框圖

本實(shí)例使用Quartus?II自帶的宏模塊（MegaWizard?Plug-in?Manager）來設(shè)計(jì)邏輯功能，并使用嵌入式硬件邏輯分析儀觀察結(jié)果。

正弦函數(shù)發(fā)生器的原理比較簡單，硬件實(shí)現(xiàn)也比較簡單：首先設(shè)計(jì)一個(gè)ROM用來存放正弦函數(shù)的幅度數(shù)據(jù)；用一個(gè)計(jì)數(shù)器來指定ROM地址（也就是相位）的增加，輸出相應(yīng)的幅度值。這樣在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)顯示的就是一個(gè)完整的正弦波形。

系統(tǒng)的電路圖如圖5.40所示。

圖5.40??系統(tǒng)電路圖

div模塊是分頻模塊，可以用前面設(shè)計(jì)過的分頻器的程序生成模塊（symbol），也可以使用Altera的計(jì)數(shù)器宏模塊來生成分頻器。

5.10.2.2??添加分頻器模塊

1．將分頻文件添加到工程

將分頻器模塊div.v加入到工程中，在工程中打開分頻器模塊div.v（分頻器程序由讀者完成），如圖5.41所示。

2．產(chǎn)生.bsf文件

選擇“File”/“Create/Update”/“Create?Symbol?Files?for?Current?File”選項(xiàng)。軟件會(huì)自動(dòng)分析div.v程序的語法錯(cuò)誤，如圖5.42所示。

圖5.41??分頻器Verilog?HDL文件

圖5.42??生成模塊菜單

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3．修改程序語法錯(cuò)誤

如果出錯(cuò)則修改錯(cuò)誤，直到?jīng)]有錯(cuò)誤為止。此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)生成div.bsf文件，此文件為原理圖中的模塊圖形。

4．在原理圖中加入分頻器模塊div.bsf

在原理圖文件中單擊“”按鈕，就可以加入剛剛建立的模塊，如圖5.43所示。

圖5.43??在原理圖中添加分頻器模塊

5.10.2.3??添加Quartus?II系統(tǒng)自帶宏模塊

ROM和計(jì)數(shù)器都可以通過Quartus?II自帶的宏模塊生成。

1．建立ROM初始化文件

在菜單中選擇新建文件，在“Other?Files”中選擇“Memory?Initialization?File”選項(xiàng)，如圖5.44所示。

填入如圖5.45所示的正弦波幅度數(shù)據(jù)。當(dāng)然也可以用MATLAB、C++或Excel的函數(shù)生成數(shù)據(jù)。保存文件，命名sin.mif。

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?????????圖5.44??新建ROM初始化文件??????????????????????圖5.45??輸入正弦波幅度數(shù)據(jù)

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2．添加自帶宏模塊

在“Tools”菜單中選擇“MegaWizard?Plug-Pn?Manager”選項(xiàng)，出現(xiàn)如圖5.46所示的對話框，選擇新建宏模塊單擊“Next”按鈕。

圖5.46??引用自帶宏對話框

圖5.47左側(cè)是Quartus?II自帶的免費(fèi)的宏模型，可以看到Quartus提供了很多免費(fèi)的IP核。

其中ROM在storage目錄中，計(jì)數(shù)器counter在arithmetic目錄中。

3．添加ROM

在storage中選擇ROM，并在右側(cè)的選項(xiàng)欄中選擇Cyclone系列芯片，output?file類型選擇Verilog?HDL，并在下方選擇ROM文件的生成地址及名稱，如圖5.48所示。

圖5.47??選擇系統(tǒng)自帶宏模塊

圖5.48??選擇ROM宏模塊

單擊“Next”按鈕，設(shè)定ROM基本參數(shù)，包括ROM的位寬q、地址位寬（存儲(chǔ)深度）和時(shí)鐘。一般ROM的時(shí)鐘選為單時(shí)鐘控制Single?clock，如圖5.49所示。

單擊“Next”按鈕，設(shè)定ROM其他參數(shù)，設(shè)定輸出寄存器、時(shí)鐘使能端和異步清零。如果選中“'q'?output?port”，則會(huì)在輸出端加一級(jí)寄存器，如圖5.50所示。

單擊“Next”按鈕，接下來在對話框中填入ROM初始化文件，并選中“allow?in-system?memory”選項(xiàng)，并選擇名稱為“NONE”，如圖5.51所示。

圖5.49??rom宏模塊基本參數(shù)設(shè)置

圖5.50??設(shè)置ROM宏模塊其他參數(shù)

圖5.51??設(shè)置ROM宏模塊初始化文件

單擊“Next”按鈕，完成設(shè)置，向?qū)傻奈募鐖D5.52所示。

圖5.52??設(shè)置ROM宏模塊完成

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4．添加計(jì)數(shù)器

引入計(jì)數(shù)器作為ROM的地址，當(dāng)計(jì)數(shù)器地址遞增時(shí)，相應(yīng)的ROM的地址遞增（正弦波的相位增加）。同樣的在“MegaWizard?Plug-In?Manager”中選擇arithmetic數(shù)學(xué)庫中的“LPM?COUNTER”宏模塊，添加計(jì)數(shù)器，如圖5.53所示。

圖5.53??新建計(jì)數(shù)器模塊參數(shù)

本實(shí)例中用的ROM寬度為8，深度為64，也就是數(shù)據(jù)寬度是8位，可以存64個(gè)數(shù)據(jù)。ROM有64個(gè)地址，因此計(jì)數(shù)器的位寬要定義為6位，如圖5.54所示。

圖5.54??設(shè)置計(jì)數(shù)器宏模塊參數(shù)

一直單擊“Next”按鈕，使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，直到生成如圖5.55所示的文件輸出。

圖5.55??完成計(jì)數(shù)器宏模塊設(shè)置

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5.10.2.4??添加端口

要添加輸入輸出端口，選擇按鈕，打開如圖5.56所示的對話框，然后選擇需要增加的端口形式。

圖5.56??加入輸入輸出端口

添加后雙擊端口，給端口命名，總線型端口要命名name[N..0]的格式，如圖5.57所示。

圖5.57??完成工程原理圖輸入

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5.10.2.5??編譯工程

按照2.5節(jié)進(jìn)行語法分析，指定FPGA設(shè)備，指定管腳，整體編譯程序。在本實(shí)例中只需要對主時(shí)鐘管腳進(jìn)行分配，即pin_153。

5.10.2.6??使用SignalTap?II觀察波形

1．建立SignalTap?II文件

在菜單中選擇“Tools”/“SignalTap?II?Logic?Analyzer”選項(xiàng)，打開如圖5.58所示界面。

圖5.58??新建SignalTap?II文件

作如圖5.59所示的設(shè)置。

圖5.59??SignalTap?II文件設(shè)置

SignalTap?II基本設(shè)置需注意以下問題。

（1）分頻時(shí)鐘作為采樣信號(hào)，不要放到被觀察的信號(hào)中。

（2）采樣信號(hào)不宜用作主時(shí)鐘，可以用作分頻后的時(shí)鐘，采樣條件可用Center?trigger?position。

下載程序，就可以看仿真的波形了。

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2．設(shè)置SignalTap?II高級(jí)觸發(fā)條件

在如圖5-58所示的添加觀察信號(hào)區(qū)域窗口中，將Trigger?Levels選項(xiàng)改為Advanced，將Basic改為Advanced，則會(huì)彈出高級(jí)觸發(fā)設(shè)置頁面，如圖5.60和圖5.61所示。

圖5.60??打開SignalTap?II文件高級(jí)觸發(fā)設(shè)置

圖5.61??SignalTap?II文件高級(jí)觸發(fā)設(shè)置

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本例中設(shè)置為當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)address＝0時(shí)開始觸發(fā)。從“node?list”中拖入address信號(hào)，在“Object?Library”/“Comparison?Operator”中加入equality，最后加入“Input?Objects”/“Bus?Value”。得到如圖5.62所示的觸發(fā)條件。

圖5.62??SignalTap?II高級(jí)觸發(fā)設(shè)置結(jié)果

3．運(yùn)行SignalTap?II并觀察波形

首先整體編譯工程，在菜單欄中單擊按鈕，開始編譯。之后使用JTAG模式將程序下載到FPGA中運(yùn)行。打開SignalTap?II文件，選擇如圖5.63所示的下載電纜。

在Instance?Manager中單擊按鈕進(jìn)行一次觸發(fā)，將會(huì)得到如圖5.64所示的波形。

圖5.64??觀察采樣數(shù)據(jù)數(shù)字顯示波形

因?yàn)殚_發(fā)板硬件沒有AD/DA功能，要想看模擬信號(hào)的輸出也可以用邏輯分析儀來完成。在信號(hào)名（比如q信號(hào)）上單擊右鍵，選擇“Bus?Display?Format”/“Unsigned?Line?Chart”選項(xiàng)，如圖5.65所示。

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???? ? ? ? 圖5.65??觀察采樣數(shù)據(jù)模擬顯示波形?????? 圖5.66??觀察采樣數(shù)據(jù)模擬顯示波形結(jié)果圖

此時(shí)，就可以顯示如圖5.66所示的模擬波形了。

5.10.2.7??使用在線ROM編輯器

嵌入式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)編輯器是通過JTAG下載電纜來觀看FPGA中ROM加載的數(shù)據(jù)的，不僅能觀看，還能在線修改數(shù)據(jù)，無需重新編譯與下載。

1．打開ROM編輯器

選擇“Tools”/“In?system?Memory?Content?Editor”選項(xiàng)，打開如圖5.67所示的rom編輯器。

圖5.67??打開在線ROM編輯器窗口

2．選擇下載電纜

使用打印口LPT1下載電纜，如圖5.68所示。

圖5.68??設(shè)置下載電纜

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3．選擇ROM標(biāo)號(hào)

點(diǎn)擊設(shè)置ROM參數(shù)時(shí)指定的none的文件，將出現(xiàn)FPGA運(yùn)行之中的ROM的數(shù)據(jù)，如圖5.69所示。

圖5.69??選擇ROM標(biāo)號(hào)

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4．讀取ROM數(shù)據(jù)

右鍵單擊“NONE”，選擇“Read?Data?from?System?Memory”選項(xiàng)，就可以得到ROM中的數(shù)據(jù)了，如圖5.70所示。

圖5.70??讀取ROM數(shù)據(jù)

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5．修改ROM數(shù)據(jù)

通過編輯器，可以修改ROM中的數(shù)據(jù)。例如可以把數(shù)據(jù)中的幾個(gè)數(shù)改成0，然后單擊“write”，再回到邏輯分析儀中觀察波形，就可以發(fā)現(xiàn)其中的變化，如圖5.71所示。

圖5.71??修改后ROM數(shù)據(jù)顯示

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5.10.3??小結(jié)

上述訓(xùn)練流程就是一個(gè)完整的Quartus?II硬件調(diào)試流程。雖然此訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)的功能比較簡單，但對于初學(xué)者來說，是一個(gè)不錯(cuò)的入門訓(xùn)練。其主要目的是讓初學(xué)者對的設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的了解。通過該訓(xùn)練來熟悉Quartus?II的高級(jí)調(diào)試技巧，為今后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。