一步一步学做一个CPU——3，用QuartusII通过原理图完成与门电路设计

打开QuartusII软件，程序主界面如下：





1， 新建一个工程





点击File——>New Project Wizard，打开创建新工程向导，这里你将完成工程的基本设定选项。

1， Project name and directory——工程的名称与目录

2， Name of the top-level design entity——顶层设计实体的名称

3， Project files and libraries——项目文件与库

4， Target device family and device——目标设备的族类

5， EDA tool settings——EDA工具设定

这里一般设定好工程名称和目录，顶层设计实体名称以及目标设备族类就可以了，其他的暂时直接使用默认项就可以了。



 





 





 



2， 新建一个设计文件

通过点击File——>New打开新建文件选择框，由于我们这里使用原理图描述实现的，则文件类型选择Design Files——>Block Diagram/Schematic File，就新建了一个原理图文件，将其保存起来，注意命名要跟前面设置的顶层设计实体名称相同。



 





 



3， 编写设计文件

接下来开始在文件中绘制原理图，这里首先完成与门的添加，点击左侧工具栏中的Symbol Tool按钮，打开Symbol选择框，选择primitives——>logic——>and2，点击OK后即可在原理图中添加一个2输入的与门了。在同样通过Symbol Tool中的加入和primitives——>pin——>output加入输入和输出引脚，然后在原理图中把他们用Orthogonal Node Tool即导线连接起来，双击输入输出引脚，为他们设定好名字，pinA，pinB，pinC，就完成了原理图中的设计。



 





 















4， 编译（分析综合）

点击Processing——>Start——>Start Analysis & Synthesis，进行分析综合，就好像是对程序进行编译，等待片刻，如果没有错误，编译报告会输出出来。









5， 配置管脚

接下来配置管脚，就是设定刚才加入的输入输出管脚与实验板上FPGA芯片外部引脚之间的对应关系，设定好这个，我们设计的与门电路才能通过FPGA外部引脚与实验板上的其他设备连接起来，我们才好观察到电路的设计效果。点击Assignment——>Pins，打开Pin Planner设定框，这里查看实验板的说明文件，我们使用两个拨动开关来连接输入引脚，用一个led灯来连接输出引脚，对照说明中的表格，为pinA，pinB，pinC分配PIN_N25，PIN_N26和PIN_AE23，设定好后点击Assignment——>Device进入设定框，点击Device
and Pin Options按钮，在Device and Pin Option框中的Unused Pins标签下将Reserve all unused pins设定为As output drivingground。因为我们的设计最终会以电路的表达形式工作，错误的设计极其容易导致实验板的损坏。



























 



6， 下载程序

当然我们实际设计中可能会用到波形仿真工具进行验证，进行时间分析验证，甚至要设定布局布线等工作，反复迭代修正，才能完成一个复杂电路的设计，不过这里这个与门的demo很简单，完成以上设计工作后，可以开始编译了，点击Processing——>Start Compilation开始吧。如果没有错误，输出编译报告，就可以准备下载到实验板上去了。点击Tool——>Programmer，打开下载工具。这里我们选择使用JTAG的下载方式，注意先给实验板上电，点击Start开始，等待片刻，走完下载进度条，下载完成。







 







7， 完成

现在你可以在实验板上通过SW0和SW1来设定与门的输入了，实验板上的LEDR0相应的亮或者灭。我们实现的与门在哪呢？就在你面前实验板的芯片中，实际上实验板的芯片中有很多电路单元，通过我们的编程选择我们需要的电路单元用连线连接起来，在通过配置引脚连接到FPGA芯片的外部引脚上，FPGA是焊接在PCB板上的，PCB板上的铜线把FPGA引脚与外部设备比如开关，发光二极管等连接起来，我们的电路就真正的连接到了这个系统当中了。他们之间的连接关系在图中表示出来。





8，总结

经过了这么多繁杂的步骤，我们仅仅完成的是一个简单的与门电路，好在通过这个过程我们只是了解一下FPGA设计的基本过程与简单操作，熟悉了这个流程，以上步骤还是很清楚的，而且实现一个复杂的设计也基本是沿这个过程走的。后面我们用FPGA实现一个CPU也可以这样下载到FPGA芯片当中，这可是一个真正的电路，真正工作的CPU，麻雀虽小五脏俱全，不再是仅仅在电脑上仿真了，你必然会满心欢喜。而且实际中，这样的设计（当然还有一些其他的工作要做），是能够送到工厂中去生产真正的ASIC专用电路，也就是真正的，我们能摸到能使用的CPU，会有这样的一天。