Intel Quartus Prime Lite 小记（一）

接前面FGPA小记，试着学习一下FGPA基础知识。Intel提供了免费的Quartus Prime Lite版本，不妨从它开始。Quartus Prime 是 Quartus II的后续产品，首次发布于2015年，紧随Intel收购Altera之后。

从哪儿开始

本文内容使用 Quartus Prime Lite 23.1 进行测试，从Quaruts的GUI操作开始，看看其后台是如何工作的

light controller circuit

不妨，先从一个最简单的Verilog程序开始

一步一步操作看看

创建工程：.qpf/.qsf
添加源码文件：.v
编译：生成 .sof
引脚分配：修改.qsf
再次编译
编程和配置

通过向导创建一个空工程

会生成2个文件

mytest1.qpf
mytest1.qsf

这两个都是文本文件。

前者工程文件，只有三行：

QUARTUS_VERSION = "23.1"
DATE = "20:59:03  May 11, 2024"

# Revisions
PROJECT_REVISION = "mytest1"

后者是设置文件。包含使用的FPGA芯片，顶层入口名TOP_LEVEL_ENTITY，以及要支持的第三方EDA软件等：

set_global_assignment -name FAMILY "Cyclone IV GX"
set_global_assignment -name DEVICE AUTO
set_global_assignment -name TOP_LEVEL_ENTITY mytest1
set_global_assignment -name ORIGINAL_QUARTUS_VERSION 23.1STD.0
set_global_assignment -name PROJECT_CREATION_TIME_DATE "20:59:03  MAY 11, 2024"
set_global_assignment -name LAST_QUARTUS_VERSION "23.1std.0 Lite Edition"
set_global_assignment -name PROJECT_OUTPUT_DIRECTORY output_files
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_timing
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_symbol
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_signal_integrity
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_boundary_scan

添加设计输入文件

添加一个verilog文件，mytest1.v，内容如下：

module mytest1 (input wire x1, input wire x2, output wire f);
    assign f = (x1 & ~x2)|(~x1 & x2);
endmodule

注意，网上很多资料中，模块定义都是采用如下（标准化之前的 Verilog-95 风格）的写法，信号类型wire可以省略：

module mytest1 (x1, x2, f);
    input x1, x2;
    output f;
    assign f = (x1 & ~x2)|(~x1 & x2);
endmodule

注意：这个模块名要和qsf配置文件中TOP_LEVEL_ENTITY设置的一样！（类似于C中的入口函数）

加入工程之后，qsf文件中多了如下一行：

set_global_assignment -name VERILOG_FILE mytest1.v

执行编译

直接点击菜单中的开始编译。后台会执行如下命令：

quartus_map --read_settings_files=on --write_settings_files=off mytest1 -c mytest1
quartus_fit --read_settings_files=off --write_settings_files=off mytest1 -c mytest1
quartus_asm --read_settings_files=off --write_settings_files=off mytest1 -c mytest1
quartus_sta mytest1 -c mytest1

命令介绍：

map：映射(mapping)，将源代码（Verilog或VHDL）转换成某种内部表示。
fit：适配(fitting)，根据目标FPGA设备的资源和约束来优化和防止设置逻辑
asm：汇编，将适配阶段生成的数据转换成可用于FPGA的二进制文件
sta：静态时序仿真（static timng analysis）,检查时钟速度、延迟等是否满足设计要求。

选项介绍：

--read_settings_files=on读取qsf配置文件，比如用到里面的TOP_LEVEL_ENTITY
--write_settings_files=off不写入qsf配置文件，避免配置文件被修改
xxxxx：项目名称或顶层文件名
-c xxxxx：指定配置文件名

编译结果：

产生 db、incremental_db、output_files 三个目录
在output_files中生成：mytst1.sof 文件！！

引脚分配（Pin Assignment)

在上面的编译过程中，我们没有分配引脚，Quartus会自动选择了引脚。引脚指定通过菜单Assignments->Assignment Editor或Assignments->Pin Planner。

指定结果存在qsf配置文件中

set_global_assignment -name FAMILY "Cyclone IV GX"
set_global_assignment -name DEVICE EP4CGX15BF14A7
set_global_assignment -name TOP_LEVEL_ENTITY mytest1
set_global_assignment -name ORIGINAL_QUARTUS_VERSION 23.1STD.0
set_global_assignment -name PROJECT_CREATION_TIME_DATE "08:59:03  MAY 11, 2024"
set_global_assignment -name LAST_QUARTUS_VERSION "23.1std.0 Lite Edition"
set_global_assignment -name PROJECT_OUTPUT_DIRECTORY output_files
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_timing
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_symbol
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_signal_integrity
set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_boundary_scan
set_global_assignment -name VERILOG_FILE mytest1.v
set_global_assignment -name PARTITION_NETLIST_TYPE SOURCE -section_id Top
set_global_assignment -name PARTITION_FITTER_PRESERVATION_LEVEL PLACEMENT_AND_ROUTING -section_id Top
set_global_assignment -name PARTITION_COLOR 16764057 -section_id Top
set_location_assignment PIN_A8 -to f
set_location_assignment PIN_A6 -to x1
set_location_assignment PIN_A7 -to x2
set_instance_assignment -name PARTITION_HIERARCHY root_partition -to | -section_id Top

注意看其中set_location_assignment那几行。

为了指定引脚，我们DEVICE也不能选择AUTO，注意对比set_global_assignment -name DEVI那一行。

综合后结果查看

通过Tools->NetList Viewers->RTL Viewer，可以查看综合后结果：

quartus-tools-rtlviewer

编程和配置（Programming and Configuring）

编译后的结果可以通过USB-Blaster烧写器配置到FPGA中。使用Quartus中的Programming工具。

为工程生成Tcl文件

通过 Project->Generate Tcl file for Project... 可以生成如下一个tcl文件：

# Load Quartus Prime Tcl Project package
package require ::quartus::project

set need_to_close_project 0
set make_assignments 1

# Check that the right project is open
if {[is_project_open]} {
    if {[string compare $quartus(project) "mytest1"]} {
        puts "Project mytest1 is not open"
        set make_assignments 0
    }
} else {
    # Only open if not already open
    if {[project_exists mytest1]} {
        project_open -revision mytest1 mytest1
    } else {
        project_new -revision mytest1 mytest1
    }
    set need_to_close_project 1
}

# Make assignments
if {$make_assignments} {
    set_global_assignment -name FAMILY "Cyclone IV GX"
    set_global_assignment -name DEVICE EP4CGX15BF14A7
    set_global_assignment -name ORIGINAL_QUARTUS_VERSION 23.1STD.0
    set_global_assignment -name PROJECT_CREATION_TIME_DATE "20:59:03  MAY 11, 2024"
    set_global_assignment -name LAST_QUARTUS_VERSION "23.1std.0 Lite Edition"
    set_global_assignment -name PROJECT_OUTPUT_DIRECTORY output_files
    set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_timing
    set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_symbol
    set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_signal_integrity
    set_global_assignment -name EDA_GENERATE_FUNCTIONAL_NETLIST OFF -section_id eda_board_design_boundary_scan
    set_global_assignment -name VERILOG_FILE mytest1.v
    set_global_assignment -name PARTITION_NETLIST_TYPE SOURCE -section_id Top
    set_global_assignment -name PARTITION_FITTER_PRESERVATION_LEVEL PLACEMENT_AND_ROUTING -section_id Top
    set_global_assignment -name PARTITION_COLOR 16764057 -section_id Top
    set_location_assignment PIN_A8 -to f
    set_location_assignment PIN_A6 -to x1
    set_location_assignment PIN_A7 -to x2
    set_instance_assignment -name PARTITION_HIERARCHY root_partition -to | -section_id Top

    # Commit assignments
    export_assignments

    # Close project
    if {$need_to_close_project} {
        project_close
    }
}

除了可以再Quartus Prime 界面中执行这个脚本。还可以直接在命令行下面执行

quartus_sh.exe -t mytest1.tcl

其实，我们只需要保留这个.tcl文件和.v文件就够了。项目文件可以由这个脚本自动生成。

归档文件 .qar

.qar 文件是为了在 Quartus Prime 内部使用而设计的，不同于通用压缩格式 如 zip 或 rar，因此需要通过 Quartus Prime 软件来创建和解压。

它弹出的对话框，对我们理解文件类别会有帮助

创建 .qar 文件：

在 Quartus Prime 中，可以通过项目菜单选择“Archive Project”（归档项目）来创建 .qar 文件。这将打开一个对话框，允许用户选择要包括在归档中的特定文件和设置。

还原 .qar 文件：

要还原 .qar 文件，只需在 Quartus Prime 中选择“File”（文件）菜单下的“Open Project”（打开项目），然后选择 .qar 文件。Quartus 将解压缩归档并还原项目的所有内容。

配置文件（烧写文件）

前面编译的结果是 .sof文件，这个文件通常调试，正式发布的话，一般需要转成.pof文件或.jic文件

.sof 文件（SRAM Object File）：这是一个二进制文件，包含 FPGA 的配置数据，通常在开发阶段用于直接通过 JTAG 或其他接口将配置下载到 FPGA 的 SRAM。
.pof 文件（Programmer Object File）：这是一个用于永久编程 FPGA 或 CPLD 的二进制文件，适用于需要将配置数据永久存储在设备中的情况。
.jic文件（JTAG Indirect Configuration File）：这个文件用于定义通过 JTAG 间接配置 FPGA 时所需的数据和参数。

通过 Quartus Prime菜单File->Convert Programming Files... 可以调出这个转换页面。

一些表格

文件后缀

通过File -> Open菜单，可以看到它支持如下众多的文件类型：

类别名称	文件后缀	备注
Design Files	.tdf .vhd .vhdl .v .vlg .verilog .sv .vqm .edf .edif .edn .cpp .mdl .h .gdf .bdf .qip .qdb .cmp .qxp .smf .qsys .ip
Project Files	*.qpf
Quartus Prime Archive Files	*.gar
Quartus Prime Design Template Files	*.par
Other Source Files	.inc .v .vlg .vh .verilog .pkg .bsf .sym .stp .lai .mif .hex .lmf .dpf *.ipx
Graphic Files	.gdf .bdf .bsf .sym
Signal Tap Logic Analyzer Files	*.stp
IP Variation Files	.gip .qsys .sip .ip
Logic Analyzer Interface Files	*.lai
In-System Sources and Probes Files	*.spf
State Machine Editor Files	*.smf
Test Bench Output Files	.wht .vt
Memory Files	.mif .hex
Programming Files	.cdf .sof .pof .jam .jbc .jic .jcf .fcf
Script Files	.tcl .sdc .pdc .gip *.sip
HTML/Text-format Report Files	.rpt .csfrpt .sim.rpt .pao .summary .htm .html .csfhtm .csfhtml .sim.htm *.sim.html
Output Files	.qmsg .vo .who .tdo .sdo .tao *.pin

手册中的表格对后缀解释更详细：

文件类型	扩展名	备注
AHDL Include File	.inc
ATOM Netlist File	.atm
Block Design File	.bdf
Block Symbol File	.bsf
BSDL file	.bsd
Chain Description File	.cdf
Comma-Separated Value File	.csv
Component Declaration File	.cmp
Component Description File	_hw.tcl
Compressed Vector Waveform File	.cvwf
Conversion Setup File	.cof
Cross-Reference File	.xrf
database files	.cdb, .hdb, .rdb, .tdb
Design Protocol File	.dpf
Graphic Design File	.gdf
Hexadecimal (Intel-Format) File	.hex
Hexadecimal (Intel-Format) Output File	.hexout
HSPICE Simulation Deck File	.sp
HTML-Format Report File	.htm
I/O Pin State File	.ips
IBIS Output File	.ibs
In System Configuration File	.isc
IP Index File	.ipx
Jam Byte Code File	.jbc
Jam File	.jam
JTAG Debugging Information File	.jdi
JTAG Indirect Configuration File	.jic
Library Mapping File	.lmf
License File	license.dat
Logic Analyzer Interface File	.lai
Memory Initialization File	.mif
Memory Map File	.map
PartMiner edaXML-Format File	.xml
Pin-Out File	.pin
Pin Planner File	.ppf
Programmer Object File	.pof
Programming files	.cdf, .cof
QMSG File	.qmsg
Intel® Quartus® Prime IP File	.qip
Intel® Quartus® Prime Archive File	.qar
Intel® Quartus® Prime Archive Log File	.qarlog
Quartus User-Defined Device File	.qud
Intel® Quartus® Prime Default Settings File	.qdf
Intel® Quartus® Prime Exported Partition File	.qxp
Intel® Quartus® Prime Message Flag Rule File	.frf
Intel® Quartus® Prime Message Suppression Rule File	.srf
Intel® Quartus® Prime Project File	.qpf
Intel® Quartus® Prime Settings File	.qsf
Intel® Quartus® Prime Workspace File	.qws
Raw Binary File	.rbf
Raw Programming Data File	.rpd
Routing Constraints File	.rcf
Signal Activity File	.saf
Signal Tap File	.stp
Sources and Probes File	.spf
SRAM Object File	.sof
State Machine File	.smf
Symbol File	.sym
Synopsys® Design Constraints File	.sdc
Tab-Separated Value File	.txt
Tabular Text File	.ttf
Tcl Script File	.tcl
Text Design File	.tdf
Text-Format Report File	.rpt
Token File	ted.tok
Vector Table Output File	.tbl
Vector source files	.tbl, .vwf, .vec
Vector Waveform File	.vwf
Verilog Design File	.v, .vh, .verilog, .vlg
Verilog Output File	.vo
Verilog Quartus Mapping File	.vqm
Verilog Test Bench File	.vt
Value Change Dump File	.vcd
Version-compatible database files	.atm, .hdbx, .rcf, .xml
VHDL Design File	.vhd, .vhdl
VHDL Output File	.vho
VHDL Test Bench File	.vht
XML files	.cof, .stp, .xml
Waveform files	.scf, .stp, .tbl, .vec, .vwf
Waveform Settings File	.wsf

补遗：名字变化

在Intel收购Altera之后，一些工具和组件的名称发生了变化：

Altera 名称	Intel® 名称	备注
Qsys	Platform Designer	用于设计和配置FPGA内的IP组件和连接的系统集成工具。
TimeQuest	Timing Analyzer	进行时序验证和分析，确保设计满足时序要求的工具。
EyeQ	Eye Viewer	用于分析高速串行通道眼图的模拟工具。
JNEye	Advanced Link Analyzer	高级链路分析工具，适用于复杂的高速数据传输系统设计分析。

参考

Intel® Quartus® Prime Pro Edition Help version 21.3 - file types Definition
英特尔® Quartus® Prime 设计软件支持中心资源 |英特尔 (intel.cn)
https://community.intel.com/t5/Intel-Quartus-Prime-Software/Quartus-version-control-methodology/m-p/1479729
Intel® Quartus® Prime Pro Edition Help version 23.1 - ::quartus::project
GitHub - intel/fpga-partial-reconfig: Tutorials, scripts and reference designs for the Intel FPGA partial reconfiguration (PR) design flow

1+1=10

记记笔记，放松一下...