Utilisation de Quartus II
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- Alfred Labrie
- il y a 6 ans
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1 Utilisation de Quartus II Ce document résume toutes les manipulations à faire avec Quartus II. Il pourra être utilisé comme guide tout au long du semestre. Ce document est fortement inspire du document nommé «Utilisation des postes de travaux pratiques d architecture des ordinateurs à l aide de QUARTUS II» écris par Johanne Bézy- Wendling, Pascal Haigron, Finn Jørgensen, Lucien Ungaro et Christophe Wolinski. 1 Présentation générale des postes de TP Chaque poste de travail comporte, en plus d'un PC standard, une carte de manipulation. Au cœur de cette carte se trouve un circuit digital configurable appelé fpga, pour field programmable gate array, c està-dire tableau de portes programmable sur site. Ce circuit contient l'équivalent de plusieurs centaines de milliers de portes, des dizaines de milliers de bascules et des centaines de broches d entrées-sorties. Le fpga, est programmable physiquement depuis un ordinateur de développement, au moyen d un câble USB. Cette programmation provoque dans le fpga l établissement d interconnexions qui réalisent le circuit souhaité. Les entrées du fpga sont fournies par des petits interrupteurs et des boutons poussoirs. Les sorties sont affichées sur une série de LED's et 8 afficheurs à sept segments. La carte comporte également un afficheur à cristaux liquides ainsi qu'un certain nombre de connecteurs (son, vidéo, réseau,...) que nous n'utiliserons pas pour l'instant. Le système de développement de circuits s appelle QUARTUS II. Il est destiné à concevoir des circuits binaires et de programmer les fpga du fabricant ALTERA. Il permet : la définition de circuits - au moyen de schémas (mode utilisé pour les TP ARCSYS), - au moyen du langage universel VHDL, la compilation de circuits pour les implanter sur un fpga, la simulation de circuits, la programmation physique de composants fpga. Dans ce qui suit, vous allez, par l exemple, apprendre la conception des circuits par schémas, la simulation, puis la programmation physique des circuits fpga. 1
2 Carte de manipulation Altera DE2 Extensions des principaux fichiers utilisés :.bdf Block Diagram file : schéma de câblage.qsf QUARTUS Settings File : brochage du circuit et autres informations.bsf Block Symbol File : symbole d un composant créé.sof Static Object File : fichier à charger dans les composants FPGA.qpf QUARTUS project file : descripteur d un projet.qar QUARTUS Archive : archive de projet.vwf Vector Waveform File : chronogramme de simulation 2
3 2 Démarrage d un projet Pour créer un circuit avec QUARTUS II, on doit démarrer un projet. Celui-ci est composé de plusieurs fichiers interdépendants. Pour vous simplifier le travail, nous avons préparé un modèle de projet sous la forme d une archive qu il faut désarchiver dans un répertoire dans votre espace personnel. Il est très important d effectuer ce désarchivage pour chaque nouveau projet indépendant en suivant à la lettre les instructions ci-dessous. Une fois l archive désarchivée, il faut éviter de déplacer, renommer ou détruire les fichiers qu elle contient. Si vous ne respectez pas ces consignes, votre TP a peu de chances de fonctionner et vous courez le risque d avoir à tout recommencer. Vous pouvez, par contre, une fois le TP terminé, effacer tous les petits fichiers accessoires qui seront créés en cours de route, mais évitez de les renommer. Au début de la première séance, vous devez commencer par créer un répertoire destiné à recevoir l ensemble des projets. Nous vous conseillons vivement de créer un répertoire nommé tparc à la racine de votre espace personnel. A l'intérieur de ce répertoire, vous devez créer un sous-répertoire nommé libperso, pour l'instant vide. Pour démarrer un TP, lancer QUARTUS II : (Icône Windows tous les programmes TP Arch (Altera) Quartus TP Arch ), et faire : Menu : Project - Restore Archived Project dans le premier champ de la boîte de dialogue qui s ouvre, indiquer le chemin et le nom du fichier projet. Ce fichier sera soit placé dans le share, soit à télécharger. dans le second champ, vous devez indiquer un nom de répertoire dans votre espace personnel. Il est très important de placer le projet dans votre espace personnel et non pas sur le volume partagé G: ou en local sur le PC. Un embryon de projet contenant quelques fichiers sera mis en place. On verra ultérieurement le rôle de certains d entre eux. Vous avez notamment les fichiers DE2.bdf et DE2.qsf qui sont respectivement le schéma de base et la définition des numéros de broches permettant de raccorder votre circuit aux clés, boutons poussoirs et afficheurs. Si vous avez besoin d ouvrir un projet qui existe déjà, par exemple un TP commencé la semaine précédente, faire menu : File - Open Project, puis ouvrir le fichier suffixé.qpf. 3 Conception par schéma Nous prendrons pour exemple la conception d un additionneur 1 bit au moyen de portes, selon le schéma classique : Re A S B Rs 3
4 Pour construire le schéma de ce circuit, il faut faire appel à l éditeur de schémas : Menu : File - New - Block Diagram / Schematic File une feuille de dessin de schéma apparaît Menu : File - Save As : vérifier que vous êtes bien dans le répertoire de la manipulation en cours et donner le nom du schéma, add1bit. Le fichier du schéma s appelle alors add1bit.bdf (l extension.bdf signifie Block Diagram File ). Les symboles des portes utilisées se trouvent dans la bibliothèque appelée : G:\esir1\tparc\quartus\combinatoire De cette bibliothèque nous allons utiliser les composants : xor (ou-exclusif), or3 (ou à 3 entrées) et and2 (et à 2 entrées), ainsi que les broches : input (broche d entrée) et output (broche de sortie). clic double sur la feuille de dessin (ou Menu : Edit - Insert Symbol). Dans la fenêtre de choix de fichier, choisir la bibliothèque G:\esir1\tparc\quartus\combinatoire et le symbole souhaité, par exemple xor Placer le symbole dans le schéma Faire ainsi pour tous les composants nécessaires. Pour limiter le dialogue d accès à la bibliothèque, on peut dupliquer les composants par copier/coller. Un clic droit sur un symbole donne accès à quelques opérations courantes telles que rotation, retournement, etc. Pensez à faire une sauvegarde de temps à autre. Nommage des broches Pour donner un nom à une broche, il faut remplacer le label PIN_NAME par le nom souhaité. Câblage Pour établir une connexion, il suffit de cliquer sur une broche de composant et draguer la souris jusqu au point de destination de la connexion. Pour des parcours sinueux, on est souvent obligé d opérer en plusieurs étapes. 4
5 On peut également établir une connexion par nommage : cliquer sur un fil de connexion et taper le nom souhaité au clavier. Pour vérifier qu un nom est bien associé au fil souhaité, on peut double-cliquer sur le fil. Tous les morceaux de fil porteur du même nom sont connectés virtuellement. De même, un fil et une broche de même nom sont connectés. 5
6 4 Compilation Le but de la compilation est, dans un premier temps, de vérifier que le schéma est cohérent. Le compilateur compile toujours le fichier racine (top level) du projet courant. Pour compiler le circuit add1bit, se placer dans la fenêtre du fichier add1bit.bdf et faire : Menu : Project - Set as Top-level Entity (IMPORTANT!) Puis compiler : Clic sur le bouton dans la barre d outils principale (ou menu : Processing - Compiler Tool, puis clic sur le premier bouton de la boîte Analysis & Synthesis). Un certain nombre d informations s affichent dans la fenêtre du bas : en vert, des informations diverses en bleu, des avertissements qu il faut consulter pour s assurer que rien n a été oublié en rouge des messages d erreurs à corriger impérativement Les erreurs de syntaxe les plus fréquentes sont : node x missing source : une entrée x n est connectée à aucune source de valeur (en l air). net x which fans out to y cannot be assigned more than one value : deux sorties sont abusivement connectées (court-circuit). En double-cliquant sur un message d erreur, le compilateur localise l erreur dans le schéma. 5 Création et édition d un symbole Si votre schéma compile correctement, il faut en faire une représentation symbolique. Menu : File - Create / Update - Create Symbol Files for Current Symbol ceci crée un symbole standard, add1bit.bsf, correspondant au schéma en cours d édition: Ce symbole peut maintenant s utiliser dans d autres circuits de votre projet comme un composant de base (voir comment faire au paragraphe «schémas hiérarchiques»). Si vous modifiez le brochage de votre composant, il faut impérativement réenrégistrer le symbole par la même commande. Ceci n'est par contre pas nécessaire si vous modifiez l'intérieur du composant sans toucher au brochage. 6
7 Si vous souhaitez conserver un composant créé afin de le réutiliser dans d'autres projets, il faut enregistrer le schéma (fichier.bdf) et le symbole (fichier.bsf) dans votre bibliothèque personnelle H:\tparc\libperso. Si on n'est pas satisfait par la disposition des broches d un symbole existant, on peut éditer son dessin en sélectionnant le symbole que l on souhaite modifier et en faisant : clic droit sur le symbole puis Edit Selected Symbol (ou Menu : Edit - Edit Selected Symbol ) Le symbole standard a toutes les entrées à gauche et les sorties à droite. Pour les déplacer, il suffit de cliquer sur les petites croix et les faire glisser le long du périmètre du symbole. On peut même, avec pas mal de patience, redessiner le symbole. Ne pas y consacrer trop de temps car c est fastidieux et source d erreurs. Les seules choses sémantiquement importantes sont les croix accompagnées des noms extérieurs qui définissent les broches du composant. Ici on propose de déplacer Re et Rs de manière à ce que le symbole soit plus facile à utiliser (voir l'utilisation au paragraphe suivant) : On sauvegarde ce dessin et on ferme la fenêtre pour revenir au schéma en cours. Afin de répercuter ces modifications sur le schéma, faire un clic droit sur le symbole, puis Update Symbol or Block. 7
8 6 Schémas hiérarchiques Les composants que l'on a conçus peuvent donc à leur tour servir de façon hiérarchique pour créer des composants plus élaborés. On peut par exemple concevoir un additionneur pour données de 4 bits, add4bits.bdf, en utilisant 4 instances de add1bit.bsf : On remarque sur le schéma ci-dessus la petite modification du symbole expliquée dans le paragraphe précédant qui simplifie les interconnexions entre les quatre instances de add1bit. Un double clic sur une instance de symbole défini par un schéma ouvre automatiquement le schéma, ce qui constitue un moyen agréable de naviguer dans la hiérarchie. 7 Groupes de signaux On peut regrouper plusieurs signaux binaires en nommant le groupe sous la forme X[i..j] ( QUARTUS utilise abusivement le terme «bus» pour ces groupes de fils). Par exemple, les broches A, B et S de l additionneur 4 bits peuvent être considérées comme des groupes de 4 bits : A[3..0], B[3..0] et S[3..0] Par convention, on doit utiliser un trait épais dans les schémas pour représenter les fils porteurs de ces signaux groupés. Pour transformer un trait fin en trait épais, le plus simple consiste à utiliser le menu obtenu par un clic droit sur le fil et sélectionner bus line. Un signal binaire individuel au sein d un groupe doit être désigné par X[i]. 8
9 En regroupant les signaux du circuit add4bits, on obtient ceci : La connexion d un groupe de broches à un groupe de signaux de même taille se fait simplement, par connexion ou par nommage. On peut extraire un sous-ensemble d un groupe en nommant les signaux extraits : N essayez pas de réaliser le brochage de l exemple ci-dessus qui n a pas d intérêt en soi. Il est juste donné à titre d information. Somme[3..0] sont ici connectés aux broches B[3..0] du circuit calcul, mais on a en plus extrait le sous-ensemble Somme[2..1] pour les connecter aux broches A[1..0]. Lorsqu on a besoin de plusieurs noms sur un même signal, il faut intercaler un composant wire, une primitive spéciale de la bibliothèque qui se comporte comme un fil qui ne transmet que dans un sens. 9
10 8 Simulation Pour faire une simulation, nous allons utiliser le simulateur QSim fournis avec Quartus. Il nous permettra de définir dans un premier temps les signaux d entrée en donnant leurs valeurs au cours du temps puis de simuler la réaction du circuit à ces signaux. Pour démarrer QSim, ouvrez un terminal Windows (Démarrer -> cmd). Tapez ensuite c:\altera\12.1sp1\quartus\bin\quartus_sh.exe qsim. Cela devrait ouvrir la fenêtre principale de QSim. Pour réaliser votre simulation suivez les étapes suivantes : Ouvrez votre projet en passant par File, open project Créez ensuite un nouveau fichier waveform (WVF). Ce fichier permet de définir la valeur des entrées du circuit pendant la simulation. Vous devriez maintenant avoir la fenêtre suivante : o Faites un clic droit dans la liste des signaux à contrôler et choisissez Insert Node or Bus o Sélectionnez le Node Finder o Choisissez si besoin une expression régulière pour affiner votre recherche et sélectionnez List o Sélectionnez les entrée/bus qui vous intéressent et transférez les dans le panneau de droite o Validez votre choix en faisant deux fois OK o Utilisez la barre de contrôle des signaux pour attribuer des valeurs aux différentes entrées. Attention : Il faut que toutes les entrées aient une valeur définie pour que la simulation fonctionne correctement. Une entrée non définie a la valeur spéciale U (undefined). L outil de simulation propagera cette valeur durant toute la simulation (U & 1 = U, U 0 = U etc ). o Sauvegardez votre waveform et quittez la fenêtre. Démarrez la simulation et observez le résultat. 10
11 9 Définition du brochage physique Les concepteurs de la carte DE2 ont défini quelles broches du FPGA qui servent aux branchements de celui-ci aux afficheurs et clés d'entrée. Ce choix est bien entendu figé et il faut associer les numéros des broches physiques aux «input» et «output» de notre circuit. Cette assignation est définie dans le projet modèle qui vous est donné et peut être observé dans le menu Assignments, Assignments editor. Ainsi, un pin d entrée sortie nommé d une certaine manière sera associé à l entrée sortie physique lors de la compilation. Attention : Dans le cas d un schéma hiérarchique, les entrées sorties des sous schémas ne seront pas associées à des IO physique. Il faudra donc recréer le pin dans le Top Level et connecter ce pin à l entrée/sortie correspondante dans le bloc. Voici une liste des principales entrées sorties que nous utiliserons durant les TP : Nom Type Description Clk50 Input Signal d horloge à 50MHz SW[17..0] Input Switch physique de la carte KEY[4..0] Input Boutons physiques de la cartes. Attention : Le bouton au repos envoie la valeur 1. LEDG[8..0] Output Leds de couleur verte LEDR[17..0] Output Leds de couleur rouge HEX0[6..0] Output Afficheur 7 segments 0. Il y a 8 afficheurs 7 segments. Attention : Il est possible que certains projets utilisent des conventions de nommage différentes. Il est toujours conseillé de vérifier que les assignment correspondent bien aux noms utilisés via l assignment editor. 10 Programmation physique de la carte DE2 Compiler le fichier DE2 (tous les symboles utilisés sont alors compilés automatiquement). Pour cela, se placer dans la fenêtre du fichier DE2.bdf et faire : Menu : Project - Set as Top-level Entity clic sur le bouton de la barre d outils (ou Processing - Compiler Tool, puis : Start ) Contrairement à la compilation partielle décrite paragraphe 4, cette compilation générale génère les fichiers nécessaires pour la programmation des circuits FPGA. Lors de cette compilation, on verra en général apparaitre un grand nombre d avertissements concernant les broches inutilisées. Vérifiez rapidement qu aucune broche utilisée ne figure dans les avertissements. S il n y a pas d erreurs, le compilateur aura généré plusieurs fichiers : DE2.pof : programmer object file, fichier de configuration pour fpga programmé de façon rémanente (mémoire flash ), 11
12 DE2.sof : static memory object file, fichier de configuration pour fpga programmé par mémoire vive. DE2.snf : simulator netlist file, fichier de description du circuit pour la simulation. Seul nous intéresse pour l instant DE2.sof car le circuit fpga utilisé se programme par mémoire vive. La programmation physique consiste à télécharger la configuration du circuit fpga sur le poste de manipulation. Ceci se fait par la manipulation suivante : clic sur le bouton dans la barre d outils (ou Menu : Processing - Programmer ) Une fenêtre Programmer apparait : Cliquer sur Start. Si le bouton Start n est pas actif, il faut d abord cliquer sur Hardware Setup, puis, dans la boite de dialogue, choisir USB-Blaster et enfin, Close. S il y a un message d erreur, vérifier que le poste de manipulation est bien sous tension et que le câble USB de téléchargement est bien connecté. S il n y a pas d erreur, la carte DE2 est configurée, on peut tester le circuit réalisé. 12
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