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计算机组成原理实验指导书
目 录
第一部分 Quartus II的操作 .................................................................................. 1 第1章 Quartus II 简介 ......................................................................................... 1 1.1 Quartus II软件 ......................................................................................................... 1 1.2 Quartus II软件的设计流程 .................................................................................. 1 1.3 Quartus II软件的用户界面 .................................................................................. 3 第2章 Quartus II 2.1的安装 ................................................................................ 6 2.1 安装软件 ................................................................................................................... 6 2.2 安装license ................................................................................................................ 6 第3章 Quartus II 2.1的使用 ................................................................................ 8 3.1 图形用户界面 .......................................................................................................... 8 3.2 设计模式 ................................................................................................................... 8 3.3 设计步骤 ................................................................................................................... 8 3.3 原理图设计与编译 ................................................................................................ 9 3.4 创建向量波形文件 .............................................................................................. 16 第4章 设计结果下载.......................................................................................... 21 4.1 安装下载电缆驱动程序 ..................................................................................... 21 4.2 器件的选择与引脚的锁定与下载 ................................................................... 28 4.3 实验箱的设置与I/O引脚 .................................................................................. 31 第二部分 实验内容.............................................................................................. 46 实验1 Quartus Ⅱ的使用 ...................................................................................... 46 实验2 运算器组成实验....................................................................................... 47 实验3 半导体存储器原理实验........................................................................... 50 实验4 数据通路的组成与故障分析实验........................................................... 51
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第一部分 Quartus II的操作 第1章 Quartus II 简介
1.1 Quartus II软件
Quartus II软件是Altera公司的综合开发工具，它集成了Altera的FPGA/CPLD（复杂可编程逻辑器件Complex Programmable Logic Device,CPLD/现场可编程器件Field Programmable Gate Array,FPGA）开发流程中所涉及的所有工具和第三方接口。通过使用此综合开发工具，设计者可以创建、组织和管理自己的设计。
Quartus II为电路设计者提供了完整的多平台设计环境，它可以满足众多特定设计的需要。Quartus II拥有CPLD／FPGA各个开发阶段对应的开发工具，设计者通过它的集成开发环境可一次性完成整体应用的开发。
1.2 Quartus II软件的设计流程
Quartus II 软件为设计流程的每个阶段提供Quartus II 图形用户界面、EDA 工具界面以及命令行界面。用户可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同界面。下图1-1所示是利用Quartus II完成应用开发的流程。
图1-1 设计流程
1. 设计输入
设计输入是CPLD／FPGA开发阶段的第一步．它完成了器件的硬件描述。Quartus II提供了以下多种设计输入的工具。
● 文本编辑器
利用该工具完成硬件描述语言程序文件的编写、修改与保存。 ● 块与符号编辑器
该工具用于查看和编辑代表宏功能、宏功能模块、基本单元或设计文件的预定义符号。
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● MegaWizard插件管理器
Quartus II提供了许多Altera公司的宏功能模块，可以在设计文件中与门和触发器等基本单元一起使用。利用MegaWizard插件管理器可将这些功能强大的宏功能模块插入到设计中。
● 约束编辑器
利用该工具可为设计指定初始约束条件，例如引脚分配、器件选项、逻辑选项和时序等约束条件。
● 布局图编辑器
利用该工具可以查看上一次编译期间执行的资源分配和布线结果(该结果是只读的，不可通过编辑器更改)。绝大多数的设计者往往只会使用到前3种设计输入工具，约束编辑器只在特定环境下(如需要对器件编译或编程进行必要条件约束时)才会用到，而布局图编辑器是提供接近物理器件内部布线编程的工具，很少会被设计者使用。
2. 综合
Quartus II提供了如下综合工具： ● 分析和综合器
该工具调用了Quartus II的内置综合器，它支持最新版本的Verilog和VHDL，并最终生成EDIF网表文件(.edf)或VQM文件(.vqm)。
● 辅助工具
Quartus II在设计综合期间提供了辅助工具，用于检查设计的可靠性。 ● RTL查看器
利用该工具可查看硬件描述最终的综合结果，并给出形象的电路元器件图表。 3. 布局连线
布局连线是将设计综合后的网表文件映射到实体器件的过程。该过程包括：将设计工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配；将每个逻辑功能分配给最好的逻辑单元位置，进行布线和时序分析；选择相应的互连路径和引脚分配。Quartus II提供了以下丰富的布局连线工具。
● Fitter工具
如果设计者利用约束编辑器指定了编译约束条件，那么Fitter工具试图将设计约束与器件上的资源相匹配，并努力满足约束条件，然后试图优化设计中的其余逻辑。如果设计者未指定任何约束条件，那么Fitter工具将自动优化设计。
● 约束编辑器
利用该工具可为设计指定初始约束条件，例如引脚分配、器件选项、逻辑选项和时序等约束条件。
● 布局图编辑器
利用该工具可以查看上一次编译期间执行的资源分配和布线结果(该结果是只读的，不可通过编辑器进行更改)。
● 芯片编辑器
利用该工具可以显示芯片内部完整的布线信息，显示每个器件资源之间的所有可能和使用的布线路径。
● 增量布局连线工具
如果设计者所做的更改仅影响少数节点，可利用该工具避免运行全编译。Quartus II的增量布局连线工具将尽量保留以前编译的布局连线结果，以较快的速度完成新的编译。
在布局连线过程中，设计者还会遇到“整体设计工程更改管理”的情况，这种工程更改管理是指在完成全编译之后，使用芯片编辑器查看设计布局布线详细信息，并确定要更改的资源，从而避免了过多地修改设计源文件或Quartus II设置。
4. 时序分析
Quartus II提供了专用的时序分析器，可用于分析设计中的所有逻辑，并有助于指导Fitter工具达到设计的时序要求。时序分析的结果包括fMAX(最大频率)、tSU(时钟建立时间)、tH(时钟保持时间)、tCO(时钟至输出延时)、tPD(引脚至引脚延时)、最小tCO和最短tPD。
5. 仿真
Quartus II提供了功能仿真和时序仿真两种仿真工具，其功能十分强大。设计者视所需的信息类型而定，可以进行功能仿真以测试设计的逻辑功能，也可以进行时序仿真，在目标器
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件中测试设计的逻辑功能和最坏情况下的时序。在时序仿真过程中，Quartus II可根据设计者提供的向量波形文件( .vwf)、间量表输出文件(.tbl)、向量文件(.vec)和仿真基准文件(.tbl)格式的波形文件进行仿真，输出仿真波形。除此之外，Quartus II还可以估计在时序仿真期间当前设计所消耗的功率。
6. 器件编程与配置 Quartus II编译成功后，设计者就可以对器件进行编程或配置了。器件编程器使用编译过程中的Assembler工具生成的POF和SOF文件对器件进行编程，其编程模式有4种。
● 被动串行模式：该模式可实现对多个器件进行编程。 ● JTAG模式：该模式也可实现对多个器件进行编程。
● 主动串行编程模式：该模式可实现对单个串行配置器件进行编程。 ● 插座内编程模式：该模式可实现对单个CPLD或配置器件进行编程。
1.3 Quartus II软件的用户界面
Quartus II软件启动后的主界面如图1-2所示，由标题栏、菜单栏、工具栏、资源管理窗、编译状态显示窗、信息显示窗和工程工作区等部分组成。
图1-2 Quartus II软件主界面
下面分别介绍各个部分的作用和使用方法。 1. 标题栏
标题栏显示当前工程的路径和程序的名称。 2. 菜单栏
菜单栏主要由文件（File）、视图（View）、工程（Project）、操作（Processing）、资源分配（Assignments）、调试（Debug）、工具（Tools）、窗口（Window）和帮助（Help）等下拉菜单组成。其中工程（Project）、资源分配（Assignments）、操作（Processing）、工具（Tools）集中了Quartus II软件较为核心的全部操作命令，下面分别介绍。
(1) Project菜单
该菜单项主要完成对工程的一些操作。 ● 【Add/Remove Files in Project】：添加或新建某种资源文件。 ● 【Revisions】：创建或删除工程，在其弹出的窗口中单击“Create…”按钮创建一个新
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