Quartus Prime 完整入门教程

目录

1. 准备工作
   • 1 什么是 Quartus Prime？
   • 2 下载与安装
   • 3 准备硬件与软件环境
2. 创建第一个工程
   • 1 启动 Quartus Prime
   • 2 使用新建项目向导
   • 3 设置工程信息
   • 4 选择器件
   • 5 设置 EDA 工具（可选）
   • 6 完成项目创建
3. 设计输入：使用原理图
   • 1 创建新文件
   • 2 使用图形编辑器
   • 3 保存文件
   • 4 添加文件到工程
4. 编译与综合
   • 1 启动编译器
   • 2 查看编译报告
   • 3 分析错误与警告
5. 功能仿真
   • 1 创建 Vector Waveform File (.vwf)
   • 2 添加输入输出节点
   • 3 设置输入波形
   • 4 运行仿真
   • 5 分析仿真结果
6. 引脚分配
   • 1 打开引脚规划器
   • 2 分配引脚
   • 3 重新编译
7. 生成编程文件与硬件测试
   • 1 生成 SOF 文件
   • 2 使用 Quartus Prime Programmer
   • 3 下载到 FPGA
8. 总结与进阶

准备工作

1 什么是 Quartus Prime？

Quartus Prime 是 Intel（原 Altera）公司为其 FPGA（现场可编程门阵列）和 CPLD（复杂可编程逻辑器件）提供的一套综合性、集成的开发软件，它集成了设计输入、逻辑综合、仿真、时序分析、布局布线、编程等一系列功能，是 FPGA 开发的核心工具。

2 下载与安装

1. 访问官网：打开浏览器，访问 Intel 官网 FPGA 开发软件页面：https://www.intel.com/content/www/us/en/software/programmable/quartus-prime/download.html
2. 选择版本：选择 "Quartus Prime Lite Edition"，这是免费版本,功能足够满足学习和大多数中小型项目开发。
3. 填写信息：填写必要的个人信息并同意许可协议，即可下载安装包，文件较大,请耐心等待。
4. 安装：
   • 运行下载的安装包（QuartusPrimeSetup-23.1std.1.950-windows.exe）。
   • 按照安装向导的提示进行操作。强烈建议保持默认安装路径,不要使用中文路径或带有空格的路径。
   • 在安装过程中，会提示你安装额外的组件，对于初学者，建议勾选 "Device Support"，并选择你计划使用的 FPGA 器件系列（Cyclone IV, Cyclone V, Cyclone 10 LP 等），如果不确定,可以全部安装。
   • 安装完成后,重启电脑。

3 准备硬件与软件环境

• 硬件：为了进行硬件测试，你需要一块 FPGA 开发板，对于初学者，推荐使用 Cyclone IV 或 Cyclone V 系列的开发板，如 Terasic DE0/DE1/DE2 系列,或国内的一些教育板卡。
• 软件：
  • Quartus Prime：已安装。
  • USB 驱动：开发板通常会附带 USB 驱动，用于将程序下载到 FPGA,请根据开发板说明书安装。
  • 文本编辑器：除了原理图，我们还会用 Verilog/VHDL 进行设计，可以使用任何文本编辑器，如 Notepad++, VS Code, 或者 Quartus Prime 自带的文本编辑器。

创建第一个工程

我们将创建一个简单的工程，目标是点亮一个 LED 灯。

1 启动 Quartus Prime

安装完成后，从开始菜单启动 "Quartus Prime (Version xx.x)"。

2 使用新建项目向导

1. 启动后，点击主界面上的 File -> New Project Wizard...。
2. 在欢迎界面，点击 Next。

3 设置工程信息

1. Directory, Name, Top-Level Entity：
   • Directory: 选择一个你用来存放工程的文件夹。
   • Name: 为你的工程起一个名字，led_blink。
   • Top-Level Entity: 这是你设计的最高模块名称，通常和工程名保持一致，Quartus 会自动填充，点击 Next。

4 选择器件

这是最关键的一步，必须根据你的开发板来选择。

1. 在 Family 下拉菜单中，选择你的开发板所用的 FPGA 系列（Cyclone IV E）。
2. 在 Available devices 列表中，根据开发板手册，选择具体的器件型号（EP4CE6E22C8）。
3. 在右侧的 Filters 中，你可以通过封装、速度等级等进一步筛选。
4. 确认选中正确的器件后，点击 Next。

5 设置 EDA 工具（可选）

EDA 工具是第三方的高级仿真、综合工具，对于初学者，我们使用 Quartus 自带的工具，所以直接点击 Next,跳过此步骤。

6 完成项目创建

1. 在最后一步，会显示一个项目摘要，确认无误后，点击 Finish。
2. Quartus 会自动打开工程，并显示一个空白的界面，至此，一个空的 FPGA 工程已经创建好了。

设计输入：使用原理图

我们将用原理图的方式设计一个将输入时钟分频，驱动 LED 闪烁的电路。

1 创建新文件

1. 点击 File -> New。
2. 在弹出的对话框中，选择 Block Diagram/Schematic File，然后点击 OK。
3. 一个空的图形编辑器窗口会打开。

2 使用图形编辑器

1. 放置元件：

   • 在图形编辑器窗口的任意位置,双击鼠标左键。
   • 弹出 Symbol 对话框。
   • 在 Name 栏中输入元件名称,或者从左侧的库中浏览。
   • 我们需要一个输入引脚、一个输出引脚、一个计数器和一个门电路。
   • 输入引脚：在 Name 栏输入 INPUT，点击 OK,然后在图纸上点击放置。
   • 输出引脚：在 Name 栏输入 OUTPUT，点击 OK,然后在图纸上点击放置。
   • 计数器：在 Name 栏输入 lpm_counter，这是 Altera 提供的一个参数化模块库，点击 OK 放置。
   • 门电路：在 Name 栏输入 AND2 (一个2输入与门)，点击 OK 放置。

2. 连接导线：

   • 将鼠标移动到元件的引脚上,鼠标会变成十字形。
   • 按住鼠标左键拖动到另一个引脚或导线上,松开即可连接。
   • 设计思路：
     • 将 INPUT 引脚连接到 lpm_counter 的时钟输入 clk。
     • 将 lpm_counter 的某个输出位（q[0]，一个较低位的计数）连接到 AND2 的一个输入端。
     • 将 AND2 的另一个输入端连接到 lpm_counter 的另一个输出位（q[20]，一个较高位的计数，用于降低闪烁频率）。
     • 将 AND2 的输出连接到 OUTPUT 引脚。

3. 设置参数：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 双击图上的 lpm_counter 元件,打开参数设置对话框。
   • 设置 lpm_width (计数器位数)，例如设置为 24。
   • 确保其他参数（如 lpm_direction）设置正确。
   • 点击 OK 保存。

3 保存文件

点击 File -> Save As，将文件命名为 led_blink.bdf,并保存到工程文件夹中。

4 添加文件到工程

1. 在 Quartus 界面左侧的 Project Navigator 窗口中，右键点击 Files。
2. 选择 Add/Remove Files in Project...。
3. 在弹出的对话框中，点击 Add All，然后点击 OK，这样就把刚刚创建的 led_blink.bdf 文件添加到工程中了。

编译与综合

编译过程将你的设计（原理图或代码）转换成 FPGA 能够理解的底层配置。

1 启动编译器

点击工具栏上的 Start Compilation 按钮（一个向下的箭头图标），或者通过 Processing -> Start Compilation 启动。

2 查看编译报告

编译成功后，会自动弹出 Compilation Report，这个报告非常重要,它包含了编译过程中的所有信息。

3 分析错误与警告

• 绿色对勾：表示编译成功。
• 黄色感叹号：表示有警告，警告通常不影响最终功能，但可能影响设计质量,需要关注。
• 红色叉号：表示有错误，错误必须修复,否则无法生成最终文件。

如果出现错误，双击报告中的错误信息，Quartus 会自动跳转到设计文件中对应的错误位置,帮助你进行修改。

功能仿真

仿真是在电脑上模拟你的设计逻辑是否正确,而不需要下载到硬件上。

1 创建 Vector Waveform File (.vwf)

1. 点击 File -> New。
2. 选择 Vector Waveform File，点击 OK。
3. 一个波形编辑器窗口会打开。

2 添加输入输出节点

1. 在波形编辑器左侧的 Name 区域空白处，右键点击，选择 Insert -> Insert Node or Bus...。
2. 在弹出的对话框中，点击 Node Finder... 按钮。
3. 在 Filter 中选择 Pins: all，然后点击 List。
4. 下方的 Nodes Found 列表会显示你设计中的所有输入输出引脚，选中它们，然后点击 > > 将其添加到右侧的 Selected Nodes & Groups 列表中。
5. 点击 OK，再点击 OK 关闭对话框,你的输入输出引脚都出现在波形编辑器中了。

3 设置输入波形

1. 在 Name 列中选中你的输入引脚（INPUT）。
2. 在工具栏上找到设置波形为高电平（Logic 1）或低电平（Logic 0）的按钮。
3. 为了模拟时钟，我们可以使用 Edit -> Value -> Clock...。
   • 选中 INPUT 引脚。
   • 点击 Clock...。
   • 设置 Period 为周期，0 ns（对应 20MHz 频率），然后点击 OK,你会看到输入波形变成了周期性的方波。

4 运行仿真

1. 指定仿真器设置：点击 Assignments -> Settings。

2. 在左侧选择 EDA Tool Settings -> Simulation。

3. 在 NativeLink settings 中，确保 Compile test bench 是勾选的。

4. 点击 Test Benches...。

5. 在弹出的窗口中，点击 New...。

6. 输入一个测试平台名称，然后在 Top-level module in test bench 中输入你的顶层模块名 led_blink。

7. 点击 Add -> File，然后浏览并选择一个 .v 或 .vhd 的测试平台文件。注意：Quartus Lite 自带的仿真器 ModelSim-Altera 需要一个 Verilog 或 VHDL 格式的测试平台，Quartus 默认不生成，你需要手动编写一个简单的测试平台文件，或者使用第三方仿真器，对于初学者，这一步可能比较复杂，一个更简单的方法是使用 Generate Functional Simulation Netlist 功能：

   • 在 Processing 菜单下，确保勾选了 Generate Functional Simulation Netlist。
   • 然后直接运行仿真。

8. 启动仿真器：点击工具栏上的 Start Simulation 按钮（一个带波形的箭头图标）。

5 分析仿真结果

仿真完成后，波形窗口会显示输出信号（OUTPUT）随时间变化的情况。

• 观察 OUTPUT 的波形是否按照你的预期变化（在 INPUT 时钟的驱动下，OUTPUT 信号以一个非常低的频率闪烁）。
• 如果波形不正确，你需要回到设计阶段（原理图或代码）检查逻辑,然后重新编译和仿真。

引脚分配

引脚分配就是告诉 Quartus，你设计中的 INPUT 和 OUTPUT 信号应该连接到开发板上的哪个物理引脚。

1 打开引脚规划器

点击 Assignments -> Pin Planner。

2 分配引脚

1. 在 Pin Planner 窗口中，你会看到两列：Node Name（你的设计信号名）和 Location（物理引脚号）。
2. 在 Location 列中，双击空白处，从下拉列表中选择开发板手册中指定的引脚号。
   • 如果开发板手册说 LED 连接到 PIN_P11，那么就在 OUTPUT 信号对应的 Location 单元格中输入 P11。
   • 如果有一个按键连接到 PIN_N2，那么就在 INPUT 信号对应的 Location 单元格中输入 N2。
3. 注意：你必须查阅你的开发板用户手册来获取正确的引脚分配信息。

3 重新编译

引脚分配后，必须重新编译工程，这些信息才会被加入到最终的配置文件中，点击 Start Compilation。

生成编程文件与硬件测试

1 生成 SOF 文件

编译成功后，Quartus 会生成多种格式的编程文件，对于大多数 Intel 开发板，我们使用 .sof (SRAM Object File) 文件。

• 这个文件在编译完成后，通常会自动生成在工程目录下的 output_files 文件夹中，文件名如 led_blink.sof。

2 使用 Quartus Prime Programmer

1. 点击 Tools -> Programmer。
2. Programmer 窗口是空的，点击 Add File...，然后选择刚刚生成的 led_blink.sof 文件。
3. 确保 Hardware Setup... 中选择的硬件是正确的（通常是连接到电脑的 USB-Blaster 适配器），如果看不到，可以点击 Auto Detect。
4. 在左侧文件列表中，确保勾选了 led_blink.sof。
5. 点击 Start 按钮。

3 下载到 FPGA

如果一切顺利，进度条会走完，并显示 "Success!"。

恭喜！ 你的 FPGA 开发板上的 LED 灯应该按照你的设计开始闪烁了！

总结与进阶

恭喜你，你已经完成了 Quartus Prime 的第一个完整设计流程！

• 我们学习了如何创建工程、使用原理图进行设计、编译、仿真、分配引脚，并最终将程序下载到 FPGA 进行验证，这是 FPGA 开发的标准流程。

• 进阶方向：

  1. 使用 Verilog/VHDL：原理图适合简单设计，但对于复杂系统，硬件描述语言 是主流，尝试学习 Verilog 或 VHDL，并使用 Quartus 的文本编辑器进行设计。
  2. IP 核使用：Quartus 提供了丰富的 IP 核（如 Nios II 处理器、DDR3 控制器等），学习如何调用和配置这些 IP 核可以大大加快开发速度。
  3. 时序分析：深入学习时序分析，理解建立时间和保持时间,学习如何修复时序违规。
  4. 更复杂的仿真：学习编写 SystemVerilog Testbench，使用更专业的仿真器如 ModelSim 进行更全面的验证。

这份教程为你打下了坚实的基础，祝你 FPGA 学习之旅顺利！