FPGA编程不再难：Quartus9.0原理图方法论指南


# 摘要
本文全面介绍了FPGA在现代电子设计中的应用以及Quartus 9.0软件的使用。从原理图设计基础到高级特性，从实际编程实战到工具的自定义与扩展，本文详尽地阐述了Quartus 9.0原理图工具的核心功能和操作流程。同时，文章也探讨了原理图与硬件描述语言（HDL）的结合，并通过案例分析展示了FPGA硬件的实现过程。最后，对Quartus 9.0的未来版本特性和FPGA技术的发展趋势进行了展望，旨在为电子工程师和系统设计者提供实用的参考和指导。

# 关键字
FPGA；Quartus 9.0；原理图设计；硬件描述语言；自动化设计；技术展望

参考资源链接：[Quartus 9.0 教程：原理图输入与波形仿真步骤解析](https://wenku.csdn.net/doc/5t1zxmgruo?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. FPGA和Quartus9.0简介

## FPGA基础

FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以通过编程来实现自定义逻辑功能的集成电路。与传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）相比，FPGA具有更高的灵活性和快速上市的优势，特别适合于需要迭代改进和现场升级的应用场景。

## Quartus 9.0概述

Quartus 9.0是Altera（现为Intel FPGA部门的一部分）推出的FPGA设计软件，它提供了一套完整的解决方案，用于设计、编译、模拟和部署基于FPGA的系统。Quartus支持多种FPGA系列，包括Cyclone、Stratix和Arria等，为设计师提供了广泛的设备选择。

## 硬件与软件的协同

FPGA的设计流程涉及硬件描述语言（如VHDL和Verilog）的编写与仿真、逻辑综合、布局与布线、生成配置文件以及最终在目标硬件上的验证。Quartus 9.0集成了这些设计步骤，使得设计人员可以在一个统一的环境中完成复杂的FPGA设计任务。在接下来的章节中，我们将深入了解Quartus 9.0的原理图设计基础，探讨如何高效利用这款强大的工具来设计、优化并实现FPGA项目。

# 2. Quartus9.0原理图基础

### 2.1 原理图设计界面概览
原理图设计界面是Quartus 9.0中直观展示和编辑设计的主要区域。Quartus 9.0提供了一个功能强大的设计工作区，它允许用户通过图形化的方式布局和连接各种逻辑元件，进而设计出复杂的数字电路。

#### 2.1.1 设计工作区介绍
设计工作区是进行原理图设计的主要场所，包括菜单栏、工具栏、项目导航器、图形工作区以及属性窗口等多个部分。

- **菜单栏**提供了各种设计操作的入口，包括文件、编辑、视图等子菜单。
- **工具栏**提供常用功能的快捷方式，方便快速访问。
- **项目导航器**用于查看和管理项目中的所有文件和库。
- **图形工作区**是放置和连接逻辑元件的地方。
- **属性窗口**显示选中元件的详细属性，并可在此进行修改。

### 2.2 原理图设计流程
一个有效的设计流程是实现高质量设计的关键。Quartus 9.0允许设计师通过一系列步骤来创建和管理原理图。

#### 2.2.1 创建新项目和设计文件
首先，在Quartus中创建新项目，为原理图设计提供了一个框架。设计者可以通过“File”菜单下的“New Project Wizard”进行项目的初始化设置，指定项目名称、位置以及目标设备。之后，即可在项目中创建新的原理图文件。

- 进入“File”菜单，选择“New”。
- 在弹出的窗口中，选择“Block Diagram/Schematic File”作为新建文件类型。
- 保存并命名新建的原理图文件。

#### 2.2.2 添加和编辑图元
原理图中的基本构建块是图元，代表不同的逻辑元件。Quartus 9.0提供了一个丰富的元件库，用户可以从中选择所需的图元。

- 打开新建的原理图文件后，在工具栏中选择“Symbol Tool”。
- 在弹出的图元库中选择需要的元件，点击拖拽到图形工作区。
- 通过双击元件或点击“Edit”按钮进入元件属性界面，可对元件的参数进行编辑。

#### 2.2.3 连接图元和生成网表
设计者在原理图中放置好图元后，需要将它们通过连线相互连接，形成网表。

- 使用“Connection Tool”或直接拖动鼠标来连接图元引脚。
- 双击连线，在弹出的属性对话框中可以编辑连接属性。
- 完成连线后，Quartus会根据原理图自动生成对应的网表。

### 2.3 原理图设计技巧
良好的设计技巧能提高设计效率和质量。原理图设计中，模块化和复用是提高设计效率的关键。

#### 2.3.1 设计复用和模块化策略
设计复用指的是使用已经验证的设计模块来构建新设计，模块化则是在设计时将复杂电路分解为若干个小型、易于管理的模块。

- **设计复用**：利用Quartus 9.0的“Project Navigator”可以方便地在不同项目间共享模块。通过“File”菜单下的“Create/Import”选项创建或导入通用模块。
- **模块化策略**：在设计较大系统时，建议将系统划分为多个功能模块，并为每个模块创建单独的原理图文件。这样做可以使设计更加清晰，便于调试和维护。

#### 2.3.2 符号和封装的创建及应用
符号是逻辑元件的图形表示，封装则定义了元件的物理形状和引脚布局。创建有效的符号和封装有利于原理图的清晰度和设计的物理实现。

- 在Quartus中选择“Tools”菜单下的“Pin Planner”，可以定义和规划引脚。
- 使用“Pin Planner”中的“Create Symbol File for Current Project”功能，可以从已有的引脚分配生成对应的符号文件。
- 封装的创建则可以在“Pin Planner”中指定引脚分配后，通过“Create/Import”功能生成相应的封装文件。

通过上述各环节的详细介绍，我们可以看到Quartus 9.0原理图设计的界面概览、设计流程以及相应的设计技巧。这些基础知识点有助于设计者快速掌握原理图设计的方法，为后续深入学习和应用奠定坚实的基础。接下来，我们将探索原理图设计的高级特性，进一步提升设计的层次和效率。

# 3. Quartus9.0原理图高级特性

## 3.1 原理图中的层次化设计

### 3.1.1 层次化设计的优势和原则

层次化设计（Hierarchical Design）是现代电子设计自动化（EDA）中的一个关键概念，特别是在处理复杂设计时。层次化设计通过将大型设计划分为更小、更易管理的部分来简化设计过程，它为设计者提供了清晰的结构，便于进行模块化思考和操作。

层次化设计的优势主要包括：
- **可维护性**：设计可以被分解为更小的部分，每个部分可以独立修改和调试，而不影响整个系统。
- **可复用性**：模块化设计允许相同的模块在多个项目或项目内部的不同部分被重复使用。
- **清晰性**：层次化结构使得设计意图和数据流更加清晰和直观。
- **便于协作**：团队成员可以独立工作在不同的设计层级上，而不会相互干扰。

实施层次化设计时，设计者需要遵循几个核心原则：
- **定义清晰的接口**：模块之间的接口需要明确和规范化，确保数据和信号可以在模块间正确地传递。
- **模块功能单一化**：每个模块应该有单一明确的功能，避免设计过于复杂。
- **模块内封装良好**：模块内部的细节应当被封装，对外提供简洁的接口。
- **递归应用层次化**：在可能的情况下，对模块本身也可以应用层次化设计，形成子模块。

### 3.1.2 层次化图元的创建和管理

创建层次化图元意味着在原理图中构建模块化的组件。这些组件可以是基本的逻辑门，也可以是复杂的子系统。下面是层次化图元创建和管理的基本步骤：

1. **定义