ROMPLL加法器

1、Quartus ii 中 Rom、分頻器和加法器的設(shè)計(jì)ROM無(wú)論是FPGA、ARM還是DSP，只要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中總是離不開(kāi)存儲(chǔ)器的使用。Altera 的FPGA中提供了豐富的存儲(chǔ)器資源可供使用，以TIGER BOARD上使用的EP4C22系列為例，F(xiàn)PGA內(nèi)部提供了594Kb的存儲(chǔ)器單元。在Quartus II中，Altera為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的與存儲(chǔ)器有關(guān)的IP核，如下圖所示。在IP核生成向?qū)е?，開(kāi)發(fā)者選擇和配置存儲(chǔ)器的的類型、位寬、大小等參數(shù)信息，來(lái)滿足電路設(shè)計(jì)中的需求。FPGA則會(huì)根據(jù)IP核的參數(shù)自動(dòng)調(diào)用內(nèi)部存儲(chǔ)器單元來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的存儲(chǔ)器功能，當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程無(wú)需開(kāi)發(fā)者操心，我們配置好

2、IP核的參數(shù)就OK了。在本章中先來(lái)介紹兩種常用存儲(chǔ)器類IP核ROM和RAM的使用方法。在對(duì)存儲(chǔ)器分類時(shí)，ROM一般指掉電非易失的存儲(chǔ)器，RAM則是掉電易失的存儲(chǔ)器。事實(shí)上在FPGA中通過(guò)IP核生成的ROM或RAM調(diào)用的都是FPGA內(nèi)部的RAM資源，掉電內(nèi)容都會(huì)丟失（這也很容易解釋，F(xiàn)PGA內(nèi)部本來(lái)就沒(méi)有掉電非易失存儲(chǔ)器單元）。用IP核生成的ROM模塊只是提前添加了數(shù)據(jù)文件（.mif或.hex格式），在FPGA運(yùn)行時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)文件給ROM模塊初始化，才使得ROM模塊像個(gè)“真正”的掉電非易失存儲(chǔ)器；也正是這個(gè)原因，ROM模塊的內(nèi)容必須提前在數(shù)據(jù)文件中寫死，無(wú)法在電路中修改。存儲(chǔ)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)內(nèi)容是無(wú)法

3、用肉眼看到的，對(duì)于FPGA片外的存儲(chǔ)器，如果想查看其內(nèi)容，必須通過(guò)存儲(chǔ)器的接口將數(shù)據(jù)讀出，這樣不僅操作麻煩，而且容易出錯(cuò)。對(duì)于片內(nèi)存儲(chǔ)器，Quartus II中提供了存儲(chǔ)器查看工具In-System Memory Content Editor，它能用來(lái)查看FPGA生成的任意存儲(chǔ)器類IP核，這等同于為開(kāi)發(fā)者提供了一雙透視片內(nèi)存儲(chǔ)的眼睛，在開(kāi)發(fā)中十分好用，堪稱神器；不僅如此，它還能在線編輯存儲(chǔ)器的內(nèi)容，是當(dāng)之無(wú)愧的“Editor”。本章就來(lái)一并介紹In-System Memory Content Editor的使用方法，用它來(lái)驗(yàn)證ROM模塊和RAM模塊的設(shè)計(jì)正確性。第一步：制作MIF格式數(shù)據(jù)文件首

4、先在Quartus II新建一個(gè)工程，命名為rom_prj，工程建好后先別急著生成ROM模塊，我們先為其制作mif格式的初始化文件。在本章中，我們打算生成和添加一個(gè)16x4bit大小的ROM，即容量為16，數(shù)據(jù)位寬為4bit。在概要中已經(jīng)提到，F(xiàn)PGA中的ROM需要mif格式或hex格式的數(shù)據(jù)文件對(duì)其初始化。在添加ROM之前，先介紹下mif格式數(shù)據(jù)文件的制作方法。我們計(jì)劃在ROM中添加0到15這16個(gè)數(shù)據(jù)，從地址0開(kāi)始到地址15結(jié)束，將ROM填滿。在Quartus II的主界面選擇菜單欄的File->New，在彈出的New對(duì)話框中選中Memory Initialization File（

5、即mif文件），點(diǎn)擊OK。接下來(lái)會(huì)彈出下圖所示的對(duì)話框，選擇容量（Number of words）及位寬（Word size），根據(jù)設(shè)計(jì)，容量為16，位寬為4，點(diǎn)擊OK完成設(shè)置。點(diǎn)擊OK后我們得到下圖所示的文件，在下圖中，紅框?yàn)閿?shù)據(jù)填充區(qū)域，用來(lái)填充mif文制作 MIF 格式數(shù)據(jù)文件 137 件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，每個(gè)方格代表一個(gè)地址，此時(shí)未填充保持全0。Addr代表數(shù)據(jù)的地址，其中Addr字符下方為起始地址，右方為偏移地址，數(shù)據(jù)地址=起始地址+偏移地址。接下來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，方法是選中某個(gè)地址處的方格，輸入數(shù)據(jù)即可，我們從地址0開(kāi)始，依次輸入0，1，214,15，完成后得到下圖。其實(shí)Quartus I

6、I中提供了一些快捷鍵，可以快速填充某些數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)區(qū)選中某個(gè)或多個(gè)地址右鍵單擊，得到下圖所示選項(xiàng)，其中Fill Cells with 0s代表將當(dāng)前地址的數(shù)據(jù)全部填充為0，F(xiàn)ill Cells with 1s代表全部填充為1，Reverse Address Contents代表取反，這三個(gè)是常用的快捷鍵。完成數(shù)據(jù)填充后，將文件命名為rom.mif，保存在工程目錄，注意下圖紅框中的選項(xiàng)，默認(rèn)是把文件添加到當(dāng)前工作來(lái)的。至此，mif文件的編寫就完成了。我們?cè)趧偛诺穆窂较抡业奖４娴膔om.mif文件，用文本編譯器打開(kāi)后如下圖所示（省略了文件頭的注釋部分）。mif文件主要分為兩個(gè)部分：框1的文件信息部

7、分和框2的文件內(nèi)容部分。文件信息部分列出了mif文件的主要信息：包括數(shù)據(jù)位寬（WIDTH）、容量（DEPTH）、地址格式（ADDRESS_RADIX）和數(shù)據(jù)格式（DATA_RADIX）。其中數(shù)據(jù)位寬和容量一般用10進(jìn)制表示，如上圖中的4和16；對(duì)于地址格式和數(shù)據(jù)格式，常用的有UNS（無(wú)符號(hào)10進(jìn)制）、HEX（16進(jìn)制）、BIN（二進(jìn)制）等，上圖中二者都是用的UNS，所以框2數(shù)據(jù)區(qū)的地址值和數(shù)據(jù)值都用無(wú)符號(hào)10進(jìn)制來(lái)表示。文件內(nèi)容部分列出了mif文件的每個(gè)地址及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，以固定的“CONTENT BEGIN”語(yǔ)句開(kāi)始，中間列出了每個(gè)地址值及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)值，最后以”END;”結(jié)尾。以上就是整個(gè)mif文

8、件的格式，其實(shí)有了它的格式，我們大可不必非得在Quartus II中一個(gè)個(gè)輸入數(shù)據(jù)生成mif文件，自己根據(jù)需求來(lái)修改某個(gè)mif文件的文件信息和文件內(nèi)容即可生成期望的mif文件，更可以借助excel或matlab來(lái)生成較長(zhǎng)的規(guī)律性文件，這種做法對(duì)于較長(zhǎng)的mif文件來(lái)說(shuō)省事不少（試想下在Quartus II中手動(dòng)輸入從0到1023是件多么痛苦的事情）。mif文件的制作過(guò)程到此為止，利用Quartus II也可以生成Hex格式文件，同樣也可以依照其格式脫離Quartus II自行修改創(chuàng)建，方法與mif文件類似，這里就不詳敘了。在工程中添加ROMmif文件制作完成后，下面來(lái)生成和添加ROM模塊。在Qu

9、artus II主界面選擇菜單欄的Tools->MegaWizard Plug-In Manager，打開(kāi)IP核生成向?qū)?。在彈出的?duì)話框選擇默認(rèn)的第一項(xiàng)創(chuàng)建一個(gè)新IP核，點(diǎn)擊Next來(lái)到IP核選擇頁(yè)面，我們選擇Memory Compiler類下的ROM（1-PORT），如框1所示，將其命名為rom，保存在提前建好的ip/rom路徑下，如框2所示。完成上述操作后點(diǎn)擊Next，得到下圖所示的ROM配置對(duì)話框。當(dāng)前頁(yè)面位于Parameter Settings的General欄，下圖中框1是數(shù)據(jù)位寬和容量的配置，分別設(shè)為4和16（注意容量的下拉列表中最小是32，手動(dòng)輸入16即可）；框2是存儲(chǔ)單元

10、類型的選擇，這決定著我們使用FPGA內(nèi)部的哪種存儲(chǔ)器資源生成ROM模塊，保持Auto（自動(dòng)）即可；框3是輸入輸出的時(shí)鐘選擇：選擇單時(shí)鐘還是雙時(shí)鐘，保持默認(rèn)的單時(shí)鐘即可；框4是當(dāng)前ROM模塊的結(jié)構(gòu)圖，可以看到此時(shí)的ROM地址線寬為4（對(duì)應(yīng)16個(gè)地址），數(shù)據(jù)線寬為4，與配置相符。完成上述配置后點(diǎn)擊Next，來(lái)到Regs/Clken/Aclrs欄，框1選項(xiàng)為是否為輸出q寄存：這里需要說(shuō)明下，因?yàn)镽OM的地址線配置了寄存器，如果選擇再為輸出q配置寄存器，給出地址后，地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)晚兩個(gè)cycle從q輸出；如果選擇不為q配置寄存器，則會(huì)晚1個(gè)cycle輸出。我們選擇后者，可以看到框2的ROM模塊結(jié)構(gòu)圖

11、中q端的寄存器就消失了，其余配置無(wú)需改動(dòng)。點(diǎn)擊Next，來(lái)到Mem Init欄，我們給ROM配置初始化文件。點(diǎn)擊紅框中的Browse在找到mif的路徑添加進(jìn)來(lái)，如框1中的File Name所示，這樣ROM的初始化文件就配置OK了?？?的選項(xiàng)需要大家注意：是否允許讓In System Memory Content Editor查看和更新內(nèi)容，我們一會(huì)要用到In System Memory Content Editor來(lái)驗(yàn)證工程，這里勾選上，Instance ID命名為rom。此外這里還需要注意的是在添加mif文件時(shí)，默認(rèn)的搜索文件類型為hex，如果沒(méi)注意這點(diǎn)不改變搜索類型，會(huì)發(fā)現(xiàn)存放mif文件的

12、路徑下居然沒(méi)有該文件，大家莫慌，我們把搜索類型改為mif或all files即可，如下圖紅框所示。最后連續(xù)點(diǎn)擊Next直至Summary類，框1中的生成文件只先擇rom.v文件即可，框2為最終的ROM模塊結(jié)構(gòu)圖，點(diǎn)擊Finish，完成ROM模塊的生成。 PLL 分頻器找到IP核生成向?qū)Р⒋蜷_(kāi)，方法是在菜單欄中選擇Tools->MegaWizard Plug-In Manager，如下圖紅框所示。然后會(huì)彈出下圖所示的對(duì)話框，有三個(gè)選項(xiàng)可供選擇：如圖中紅字所示，我們選擇第一個(gè)，創(chuàng)建一個(gè)新IP核，然后點(diǎn)擊Next。點(diǎn)擊Next后彈出下圖，框1為IP核列表，Altera提供的IP核都列在其中，每

13、個(gè)文件夾代表一類，比如Memory Compiler里包含了與存儲(chǔ)器有關(guān)的IP核，框1上面提供了一個(gè)搜索框，可以通過(guò)IP核名稱來(lái)搜索。框2為工程指定的FPGA所屬的器件系列，每個(gè)器件系列能提供的IP核種類與數(shù)量不盡相同，所以這個(gè)地方要保持與工程創(chuàng)建時(shí)選擇的器件系列一致，避免出現(xiàn)添加本器件不支持的情況，這里默認(rèn)是一致的?？?為添加IP核時(shí)輸出文件的語(yǔ)言類型，這個(gè)取決于工程具體設(shè)計(jì)所使用的語(yǔ)言，這里選擇Verilog；框4是IP核輸出文件的保存類型及IP核名稱，路徑一般在工程文件夾中即可，名稱自定義。PLL屬于列表中的I/O類，我們找到它并選中（當(dāng)然也可通過(guò)名稱搜索找到），器件類型保持不變，輸出文

14、件類型選擇Verilog，存放路徑為工程路徑/ip/pll，并命名為pll，設(shè)置好后如下圖所示，點(diǎn)擊Next（ip/pll為預(yù)先建好的文件夾，VITO的習(xí)慣是在工程目錄下新建一個(gè)ip文件夾，在該文件夾下再為每個(gè)IP核建一個(gè)與IP核同名的文件夾，將IP核文件保存該文件夾下，顯得整潔規(guī)范，當(dāng)然存放路徑因人而異，只要自己能找到就OK了）。點(diǎn)擊Next后會(huì)彈出下圖所示對(duì)話框，我們正式開(kāi)始對(duì)將生成的PLL進(jìn)行配置。框1為需要配置的選項(xiàng)，根據(jù)其固有標(biāo)號(hào)一共分為5類：Parameter Settings（參數(shù)設(shè)置）、PLL Reconfiguration（PLL重新配置）、Output Clocks（輸出時(shí)

15、鐘設(shè)置）、EDA和Summary（總體設(shè)置），每一類又分成很多項(xiàng)。PLL涉及到的參數(shù)繁多，我們無(wú)需掌握每個(gè)參數(shù)的作用，只要了解了一些經(jīng)常需要配置的重要參數(shù)即可。框2中為當(dāng)前PLL的結(jié)構(gòu)圖，它會(huì)伴隨在PLL的配置中。根據(jù)圖可以看到PLL當(dāng)前的主要信息：輸入頻率、每個(gè)輸出的信息（頻率、比率、相移、占空比）、模塊管腳等。當(dāng)前的頁(yè)面屬于Parameter Settings的General/Modes項(xiàng)，我們需要修改的是輸入時(shí)鐘頻率，將其從默認(rèn)的100MHz變?yōu)?0MHz，如框3所示，可以看到框2的結(jié)構(gòu)中顯示輸入時(shí)鐘頻率也隨之變?yōu)榱?0MHz，其余不變，點(diǎn)擊Next到下一項(xiàng)。在Inputs/Lock項(xiàng)，

16、我們需要注意框1和框2的含義。框1項(xiàng)是為PLL創(chuàng)建異步復(fù)位管腳，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖上的areset，用來(lái)對(duì)PLL進(jìn)行異步復(fù)位。框2是為PLL創(chuàng)建鎖定管腳，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖上的Locked，用來(lái)檢測(cè)PLL是否已經(jīng)鎖定（正常工作）。對(duì)于一般的應(yīng)用而言，可以不用添加這兩個(gè)管腳，這里我們添加上，以便在仿真時(shí)能更全面地體現(xiàn)PLL的工作特點(diǎn)。完成后點(diǎn)擊Next。連續(xù)點(diǎn)擊Next，直至Output Clock類的clk c0項(xiàng)，對(duì)輸出時(shí)鐘c0進(jìn)行配置?？?選項(xiàng)決定是否使用當(dāng)前的輸出時(shí)鐘，每個(gè)PLL最多有5個(gè)輸出時(shí)鐘，我們可以根據(jù)需要選擇輸出時(shí)鐘的數(shù)量，c0默認(rèn)是選中的，保持該選項(xiàng)不變?？?是配置c0的輸出頻率，有兩種方式

17、：直接輸入頻率（未選中的選項(xiàng)）和輸入?yún)?shù)配置頻率（當(dāng)前選中的選項(xiàng)）。對(duì)于直接輸入頻率方式，直接在Requested Settings中輸入想得到的輸出頻率即可；對(duì)于輸入?yún)?shù)配置頻率，需要輸入倍頻因子（Clock multiplication factor）和分頻因子（Clock division factor），最后的輸出頻率計(jì)算方式為：輸出頻率=輸入頻率x倍頻因子/分頻因子。我們通過(guò)參數(shù)配置方式得到25MHz的一個(gè)輸出時(shí)鐘，將倍頻因子和分頻因子分別設(shè)置為1和2即可。另外需要注意的是：PLL的輸出并非隨心所欲的，受輸入頻率等因素影響，每個(gè)PLL的輸出頻率會(huì)有一定的范圍限制?？?為輸出時(shí)鐘的相移

18、，這里保持默認(rèn)0?？?為輸出時(shí)鐘的占空比，也保持50%不變。在本工程中，我們只需要PLL輸出c0時(shí)鐘，其它輸出時(shí)鐘不使用也無(wú)需配置，完成上述操作后連續(xù)點(diǎn)擊Next，直到Summary類。在下圖所示的Summary類中，框1是PLL輸出的文件，除了兩個(gè)灰色必選的pll.v和pll.ppf外，默認(rèn)還勾選上了pll_bb.v，對(duì)于IP核的使用，有兩個(gè)必選文件已經(jīng)足夠，我們?nèi)サ魀ll_bb.v文件。加法器在Quartus II中新建一個(gè)工程，命名為addr_prj。創(chuàng)建完成后打開(kāi)IP核向?qū)?，在彈出的?duì)話框中選擇第一項(xiàng)創(chuàng)建一個(gè)新的IP核，如下圖所示。點(diǎn)擊Next進(jìn)入下圖所示的IP核選擇頁(yè)面，選中左欄IP核列表中的PARALLEL_ADD（位于Arithmetic文件夾），即并行加法器，如框1所示；存放路徑為提前建好的ip/addr文件夾，命名為addr，如框2所示。完成上述操作后點(diǎn)擊Next，進(jìn)入并行加法器配置對(duì)話框。首先是Parameter Set