【正点原子FPGA学习日记】DAY1：FPGA简介及开发流程

使用正点原子的达芬奇板作为学习使用，文章内容是对正点原子开发指南的整理，仅做回顾学习使用，侵删。

FPGA简介

1，FPGA中文名：现场可编程门阵列

        其中现场指其可重复写入，门阵列指其根据查找表输出，可编程则是FPGA与CPU之间最主要的区别，能够改变逻辑门单元之间的硬件逻辑。

2，FPGA内部结构

        FPGA 由许多“可配置逻辑模块”（Configurable Logic Block，CLB）、输入/输出单元（I/O Block，IOB）和分布式的可编程互联矩阵（Programmable Interconnection Matrix，PIM）组成。

3，CPU、DSP 和 FPGA 的区别

CPU 具有比较强的事务管理功能，可以用来跑 UI 以及应用程序，CPU 优点主要在于擅长控制。DSP 主要是来做计算，例如加解密算法，调制解调等，其优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA主要使用 Verilog 进行编程，灵活性强，并行处理度高，可编程，可以做到很高的带宽处理。

FPGA开发流程

本文将以点亮led灯为例，梳理fpga的开发流程

        标准的FPGA开发流程如下图所示：

0，FPGA工程管理

doc：用来存放辅助文档，如波形图，系统框图等prj：用来新建工程及产生的文件rtl：开发过程中使用notpad++产生的.v格式的rtl文件sim：仿真工程与仿真文件，内部通常还有一个tb文件夹

1，需求分析

        点亮led灯是使用达芬奇板上的按键key0来控制led0灯的亮灭。

        当按键按下，led灯被点亮，按键松开，led灯熄灭。

        通过查询开发板原理图，得到led灯的亮灭逻辑，即led0高电平点亮，反之熄灭。

        按键默认是高电平，按键被按下是低电平：想要实现需求，实际要对led和key做取反~操作

2，系统设计

        由于本实验过于简单，只有一个模块，输入端口为key0，输出端口为led0，因此不需要进行模块划分。

3，硬件选型

        按理应当选用合适规模和性能的fpga芯片进行工作，本文中只能选用达芬奇。

4，绘制系统框图

        根据系统设计的结果使用Viso软件设计系统框图：

        这里绿色框的led，指的是实验名称，key指输入端口，led指输出端口。

5，绘制波形图

        led效果图如下：

        根据效果图绘制波形图（通常输入为绿色，输出为红色）：

6，编写rtl代码

        使用notepad++新建一个led.v文件，并存放在rtl文件夹中；

        这里的module指令相当与c中的函数指令，input key和output led相当于函数中的值；

        其中assign led =~key；才是主代码，只是做一个取反操作；

7，软件仿真tb

         使用modelsim软件对rtl代码进行仿真之前，需要编写实验对应的仿真文件（TestBench）。

TestBench 是用于验证功能模块的设计是否符合预期，其内容主要分为以下三个步骤：        1、 向被测功能模块的输入接口添加激励；//给输入接口一个信号        2、 对被测功能模块的顶层接口进行信号例化；        3、 判断被测功能模块的输出是否满足设计预期//判断是否可用

       所谓testbench可以理解成只通过看波形图来判断程序有没有生效使用，与真正的led.v程序使得亮灯不同，后者能通过按键和灯之间的亮灭来判断程序是否可用；

        在sim文件夹中的tb文件夹，新建一个tb_led.v文件，使用notepad++打开，

1）定义仿真单位：第 1 行代码定义的是仿真单位是 1ns，例如 TB 模块中第 16、18、20、22 行代码使用了延迟语句，第 16 行代码“#200”就是延迟 200ns2）定义输入与输出：一般输入信号定义为寄存器类型（reg），一般输出信号定义为线型（wire）。第 6行代码是定义了一位寄存器类型 key 输入，第 9 行代码是定义了一位线型 led 输出3）输入信号初始化：第 13 行代码是一位按键输入的初始化。因为板载按键默认为高电平，所以初始化时我们给按键赋值高电平。4）给输入信号赋值：第 16 行到第 23 行的代码是结合延迟语句给输入按键赋不同的值。第 16 行到第23 行的代码的功能是模拟按键被按下和被释放。5）例化 led 模块：第 27 行到第 30 行代码是例化点亮 LED 模块。通过例化 led 模块，我们 TB 模块编写的激励就可以传递到待测模块进行仿真。

        1，使用modelsim软件在sim文件夹中创建tb_led.prj工程

       2， 通过add files，添加rtl中的led.v和sim—tb中的tb_led.v进入该prj文件中

       3， 然后点击compile选项卡中的compile all编译所有文件，所有文件显示√即完成

        4，点击simulation选项卡中的start simulation

        5，查看波形图是否符合要求

        点击u_led选择add wave选项。

通过将仿真的结果与我们绘制的波形图对比，可以看到两者波形一致，验证我们编写的代码功能是正确的。如果两者波形不一致，则说明我们编写的代码不能正确实现我们设计的功能，此时就需要对代码进行修改，直至仿真的结果与我们绘制的波形图一致。

8，新建工程

        在vivado软件中，新建project文件，取名为led。文件地址为prj文件夹；并选择rtl工程类型;

取消默认勾选了“Create project subdirectory”选项是因为如果勾选了该选项，Vivado 会在所选工程目录下自动创建一个与工程名同名的文件夹

        添加完文件之后，选择开发板芯片型号，这也是不同芯片在该教程中唯一不同的一部分；

9，分析与综合

综合（Synthesis）就是将 RTL 设计转变为由 FPGA 器件中的查 找表（LUT）、触发器（FF）等各种底层电路单元所组成的网表，在这个过程中综合器也会对设计进行优化，例如删除多余的逻辑等等。类似c语言中的编译操作；

        如果没有报错，点击原理图界面，之后便可以进行引脚约束

10，约束输入

约束表达了设计者期望满足的时序要求，规范了设计的时行为，并在综合、实现阶段来指导工具进行布局、布线，工具会按照你的约束尽量去努力实现以满足时序要求，并在时序报告中给出结果。常用的约束包括时序约束、引脚约束等等。

        查找手册得知key0和led0的管脚和电平标准，填入表格后，ctlr s保存xdc文件

        xdc文件即引脚约束文件

        最后对代码进行综合；

        通常选择第二个

11，设计实现

12，下载验证及调试

比特流文件即下载验证文件

        首先生成比特流文件，generate bitstream

        连接下载器：

自动查找比特流文件，如果自动找不到，通常在led.runs/imp_1

        点击program，即下载到板子

        注意这里只能单次使用，一旦断电之后就会记忆消失

13，程序固化

第一步：在xdc约束文件中，新增spi设置文件（正点原子的xdc文件中最后一行）

第二部：生成mcs文件（有其他两种文件同样能达到这样的效果）

第三步：添加flash

MCS的文件位置，与bit文件位置相同