Файл: Лабораторная работа 1. Изучение среды Quartus.pdf

1
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Лабораторная работа №1.
Изучение среды Quartus
Цель работы. Изучить среду программирования Quartus: приобрести навыки создания, редактирования и компиляции проекта прошивки микросхем ПЛИС фирмы Altera.
Краткие теоретические сведения
Среда программирования Quartus является системой автоматизированного проектирования, используемой при программировании микросхем ПЛИС, выпускаемых фирмой Altera. Типовой проект, разрабатываемый пользователем в среде Quartus, содержит, помимо файла-проекта, еще как минимум два файла: 1) файл с данными прошивки (либо в формате графического дизайна, либо в текстовом формате) и 2) файл данными для формирования временной диаграммы при моделировании. Процедуры формирования данных файлов требуют выполнения некоторой последовательности действий в среде программирования Quartus. При компиляции проекта могут возникать ошибки, которые необходимо уметь анализировать и корректировать данные проекта до их устранения. Формирование навыков работы в среде Quartus является основной задачей лабораторной работы.
Создание проекта в САПР Quartus II. Для разработки устройства после запуска САПР
Quartus II необходимо создать новый проект: пункт диалоговой панели «File\New Project Wizard» запустит помощника (рисунок 1). Из меню «File» можно открыть новый проект или сохранить текущий.
Рисунок 1 – Пункт диалоговой панели File (фрагмент)
Далее в всплывающем окне помощника указывается папка, в которой будет хранится проект, и его имя. Также на этом этапе можно выбрать ПЛИС, которую необходимо запрограммировать, однако для выполнения данной лабораторной работе это не требуется; поэтому после данного этапа можно нажать кнопку «Finish». При необходимости свойства проекта могут быть изменены в диалоговой панели «Assignments/Settings»; На рисунке 2 представлено окно помощника, на рисунке 3 – фрагмент диалоговой панели «Assignments».
Чтобы создать новый файл, принадлежащий проекту, надо выбрать пункт меню
«File\New». Для того, чтобы нарисовать схему, файл должен иметь вид «Block Diagram\Schematic
File». Для того, чтобы вставить элемент в схему, в окне графического редактора схем выбирается пункты «Insert\Symbol» или иконка «Symbol Tool» (рисунок 4). Окно библиотеки символов представлено на рисунке 5.

2
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Рисунок 2 – Вид окна помощника: выбор папки и имени проекта
Рисунок 3 – Пункт диалоговой панели «Assignments» (фрагмент)
Для добавления компонентов на рабочую область необходимо 2 раза нажать на левую кнопку мыши или нажать клавишу ОК, также в программе работает копирование. Чтобы отпустить компонент, необходимо нажать клавишу Esc. Для наименования связи или элемента необходимо выбрать элемент правой кнопкой мыши и выбрать пункт «Properties» (рисунок 6).

3
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Рисунок 4 – Окно создания файла вида «Block Diagram\Schematic File»
Рисунок 5 – Окно библиотеки символов

4
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Рисунок 6 – Всплывающее окно наименования элемента
Удобной особенностью САПР Quartus является то, что необязательно изображать соединения – достаточно отметить начало и конец соединения, назвав их одинаково (рисунок 7).
Такая возможность значительно упрощает формирование сложных схем.
Для проведения логической симуляции нужно откомпилировать проект: пункт меню
«Processing/Start Compilation». При успешной компиляции выводится диалоговое окно, которое представлено на рисунке 8.
В файле симуляции описываются входные сигналы и задаются названия необходимых для рассмотрения выходов. Подобный файл задается в проекте выбором пункта меню «File\New» и затем в появившемся диалоге «Verification\Debugging Files\Vector Waveform File». Входы и выходы задаются из панели «Insert\Insert Node or Bus». Поиск входа на схеме в проекте осуществляется кнопкой Node Finder (рисунок 9).
Рисунок 7 – Виды соединений в САПР Quartus на примере простейшей схемы с ЛЭ типа
Логическое И

5
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Рисунок 8 – Результаты компиляции проекта
Рисунок 9 – Окно Node Finder

6
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
При помощи редактора задаются значения на входах устройства: с помощью курсора мышки выделяется необходимая зона и задаются необходимые параметры сигнала через иконки на панели окна. Результаты представлены на рисунке 10.
Рисунок 10 – Окно с временными диаграммами
Для запуска процесса симуляции выбирается пункт диалоговой панели «Processing/Start
Simulation» (рисунок 11), после чего генерируется тестбенч. Необходимо учитывать, что к старым версиям Quartus с 10 по 12 включительно среда моделирования Modelsim прилагается отдельно и приходится прибегать к ручному прописыванию тестбенча; в версиях до 10 и с 13 тестбенч генерируется автоматически. Если в процессе симуляции возникли ошибки, то их можно просмотреть в окне сообщений. Для изменения длительности симуляции и шага сетки используются соответственно пункты меню «Edit/End Time».
В файле симуляции можно настроить вид входных сигналов, настроить временную сетку, задать общую длительность симуляции.
Рисунок 11 -- Окно с результатами моделирования работы
Варианты заданий*
Задание заключается в формировании простейшего проекта, содержащего один элемент в соответствии с полученным на занятии вариантом задания, входные и выходные сигналы, необходимые для иллюстрации принципа его работы, компиляцию проекта и моделирование работы схемы. Индивидуальных заданий по содержательной части проекта для ПЛИС не предусмотрено. Отчет о лабораторной работе должен содержать описание процесса работы в среде Quartus: от создания нового файла-проекта до формирования временной диаграммы моделирования прошивки для ПЛИС.

7
© Жаринов О.О. Учебно-методические материалы к выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине “Схемотехника”, гр.Z0442K. ГУАП, 2022. – 7 с.
Таблица – Варианты заданий
Вариант
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
Элемент and3 band3 bnor3 bor3 nand3 nor3 nand3 or3 xnor xor
Вариант
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Элемент and6 band6 bnor6 bor6 nand6 nor6 nand6 or6 band2 bnor2
Вариант
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Элемент and4 band4 bnor4 bor4 nand4 nor4 nand4 or4 tri not
*Примечание: если отчет представлен после указанной предельной даты сдачи работы, то в отчете, помимо выполнения основного задания, следует привести результаты выполнения дополнительных заданий:
1) привести аналитический обзор микросхем ПЛИС, выпускаемых различными фирмами
(Xilinx, Actel и др.) и характеристики средств САПР, применяемых при их программировании;
2) сформировать проект, используя язык Verilog.
Порядок выполнения работы
1. Получить вариант задания у преподавателя во время занятия по расписанию, удостовериться в правильном понимании задания и критериев его оценки.
2. Запустить среду Quartus. Сформировать новый проект в среде Quartus.
3. Осуществить компилирование, исправить возможные ошибки.
4. Изучить принцип функционирования исследуемого элемента. Подготовить тестбенч с входными сигналами. Осуществить моделирование, убедиться в правильности работы созданного проекта.
5. Сохранить файлы проекта, закрыть проект, выйти из среды Quartus.
6. Вновь запустить среду Quartus. Открыть созданный ранее проект, осуществить компиляцию и моделирование. Убедиться в воспроизводимости полученных ранее результатов.
7. Выполнить п. 4. Закончить работу.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Описание последовательности действий при работе в среде Quartus.
3. Схема проекта программирования ПЛИС, выполненная в графическом формате.
4. Краткие сведения о принципе функционирования заданного по варианту элемента.
5. Временная диаграмма работы исследуемой схемы.
6. Перечисление ошибок, если они возникали в процессе работы и методов, применённых для их устранения.
7. Выводы.
8. Список используемых источников.
Рекомендуемая литература
1. Проектирование цифровых устройств на ПЛИС: учебное пособие /И.В. Ушенина. – СПб:
Лань, 2022. - 408 с.
2. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. / Д.М. Харрис, С.Л. Харрис; пер. с англ. ImaginationTechnologies. – М.: ДМК Пресс, 2018. - 792 с.
3. Логическое проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем / В. В. Соловьев, А. Климович. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. -
376 с. [Библиотечный шифр 681.3 C 60].
4. Проектирование на ПЛИС. Архитектура, средства и методы: Курс молодого бойца = The design warrior's guido to FPGA's: пер. с англ. / К. Максфилд. - М.: ДОДЭКА-XXI, 2007. - 408 с. [Библиотечный шифр 004.4 М 17].
5. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС / Д. С. Потехин, И. Е.
Тарасов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 248 с. [Библиотечный шифр 004 П 64].