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FPGA学习（基于小梅哥Xilinx FPGA）学习笔记

news 来源：原创 2025/5/22 17:58:08

文章目录

一、整个工程的流程
二、基于Vivado的FPGA开发流程实践（二选一多路器）
- 什么是二选一多路器
- 用verilog语言，Vivado软件进行该电路实现
- - 1、设计输入：Design Sources中的代码
  - 2、分析和综合：分析设计输入中是否有错误
  - 3、功能仿真，Simulation Sources中的仿真实现代码（Test_Bench）
  - 4、布局布线
  - 5、时序仿真
  - 6、板级调试
  - - （1）IO引脚分配
    - （2）程序下载
三、3-8译码器的实现
- 什么是3-8译码器
- 1、设计输入
- - 用到的语法
  - 整个3-8译码器代码为下
- 2、分析综合
- 3、仿真
- 4、时序仿真
- 5、IO引脚分配
- 6、生成代码，板级调试
- 课后题，写4-16译码器代码
- - 1、module设计输入
  - 2、功能仿真
  - 3、布局布线
  - 4、时序仿真
  - 5、IO引脚分配
  - 6、生成代码，板级调试
四、时序逻辑计数器设计
- 什么是D触发器
- 什么是计数器
- 用Verilog代码实现led闪烁
- - 1、设计输入：module编写
  - 2、分析综合
  - 3、仿真模拟
  - 4、 IO设定
  - 5、生成程序、板级调试

相关资源网站（小梅哥FPGA）
https://www.corecourse.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=27978
https://www.corecourse.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=28730

本篇文章使用的开发板为：
小梅哥 Xilinx FPGA
型号：XC7A35T
芯片型号：XC7A35TFGG484-2

以下所有文章内容，均来自小梅哥FPGA教学视频，这个文章只是针对每个教学视频的个人理解总结。

一、整个工程的流程

写一套硬件描述语言，能够在指定的硬件平台上实现相应的功能

设计定义（让LED一秒闪烁一次）
设计输入（编写逻辑（使用Verilog代码描述逻辑），画逻辑图，使用IP盒（即提供的成品功能器件））
综合工具（由专业的EDA软件进行，Quartus、Vivado、ISE），对所写的逻辑内容进行分析，并得到逻辑门级别的电路内容。（如if else就是一个二选一多路器）
功能仿真（使用专门的仿真工具进行仿真，验证设计的逻辑功能能够实现。对于数字电路来说，仿真时基本接近于真实情况的，是可信的）
布局布线（走线带来延迟，延迟越长，主频越低）（在指定器件上将设计的逻辑电路实现）
分析性能（1、时序仿真（非常耗费时间），仿真软件进行观察；2、静态时序分析（平时用这个））
下载到目标板运行，查看运行结果。（板级调试）（使用ILA(嵌入式逻辑分析仪)（Vivado））
让设计的逻辑在目标板上正常工作（功能正常，性能稳定）

总结

设计定义
设计输入
分析综合（EDA、Vivado、Quartus）
功能仿真（Modelsim）
布局布线（Vivado、Quartus）
分析性能（时序仿真Modelsim、静态时序分析Vivado、Quartus）
板级调试
OK
2024.12.22

二、基于Vivado的FPGA开发流程实践（二选一多路器）

打开Vivado并创建工程mux2后，Vivado界面上左边流程
在这里插入图片描述
即该软件就是按照开发流程进行运行的

什么是二选一多路器

当SEL=1时，out=a
当SEL=0时，out=b
在这里插入图片描述

用verilog语言，Vivado软件进行该电路实现

下图要注意符号的运用

1、设计输入：Design Sources中的代码

在这里插入图片描述

用到的语法（Verilog语言）

定义模块

module xxx(
......
)
endmodule
//定义一个模块

定义输入输出

input a;
output out;

赋值语句

assign out = (sel==1)?a:b;
//在sel=1的情况下，将a的值赋予out，否则将b的值赋予out
assign out = ~a;
//将a取反的值赋予out

2、分析和综合：分析设计输入中是否有错误

在这里插入图片描述
分析综合运行后，看message，其中没有报错那么这一步就完成了，接下来就进行仿真验证

3、功能仿真，Simulation Sources中的仿真实现代码（Test_Bench）

在这里插入图片描述
在仿真平台中，通过代码编写，搭建一个仿真平台，取验证之前编写的module是否OK

我们个人一般用不到ps级别的延时，ns够用
如

#1 //延时1ns
#2 //延时2ns
#1.001 //延时1.001ns，这是在配置为1ns/1ps情况下是可以实现的

写一个可以测试之前定义的module mux2的功能的仿真代码
在这里插入图片描述

reg s_a; //定义测试平台的输入信号，可接0和1逻辑输入

.a(s_a); //.代表测试端子，a代表module中a端口，（s_a）代表测试平台的reg端口
//这句话的意思是，将测试平台的（s_a）端子与module的a端子通过.来相接

wire out; //定义平台的输出信号，可根据分析输入信号和module来确认这个输出信号

initial begin
......
end
//测试平台的操作

在这里插入图片描述
跑仿真后出现这个界面，这个就是仿真的时序图，

第一次跑不全，再跑一次

此时可以看着时序图对out的信号进行对比，看是否是我们需求的信号输出结果。

仿真这一步挺重要的，建议需要掌握

4、布局布线

在这里插入图片描述

点击红框中的符号可以看到目前的编译状态

5、时序仿真

在这里插入图片描述

时序仿真电路中可以看到真实的电路中的信号延迟情况，
out都滞后于输入信号的变化，根据时序仿真，可以看出延迟情况，来判断这个延迟我们能否接受

6、板级调试

（1）IO引脚分配

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
根据上图进行引脚分配

分配完成后，在引脚分配界面进行ctrl+s进行保存，保存名称和项目名称可以一样（不强求，也可以不一样）

（2）程序下载

在这里插入图片描述
点击后就可以进行创建，
创建完成后可以进行程序下载

这样就下载完成了，之后就可以进行板级调试。
2021.12.22

三、3-8译码器的实现

什么是3-8译码器

在这里插入图片描述

1、设计输入

3-8译码器
创建module,创建3-8译码器的端口
在这里插入图片描述
端口创建完成后，定义端口的输入输出状态

输入输出状态定义完成后，进行端口之间的逻辑编写
在这里插入图片描述

用到的语法

always块
位拼接

d是一个4位数据，通过assign将 a, 1bit常量值为0，b , c这四个数拼在一块赋值给d
描述多位格式的常用限定符号

这两个表达方式是一样的

b  二进制        3‘b101         8'b0000_1010
o  八进制
d  十进制        3'd5           8'd10
h  十六进制                     8'ha

case() endcase
case括号中，为满足操作的条件
在满足条件下进行操作，如：\

3‘b000 : out = 8'b0000_0001;

具体解释为拼接后的{a,b,c}在满足3位bit值是000的情况下，将8bit的0000_0001赋值给out

整个3-8译码器代码为下

在这里插入图片描述

2、分析综合

分析综合的作用，检查设计输入的语法有无问题
在这里插入图片描述
分析之后查看reports，有错误则报红

3、仿真

创建一个测试平台，命名规则一般为（文件名_tb）,tb代表test bench
在这里插入图片描述
测试平台的代码具体的流程为

定义测试平台的时间尺度
定义一个测试平台
定义测试平台的端口，标注好reg型（输入）和wire型（输出）
将模块放置到测试平台上
将模块中的端口与测试平台的端口互相连接
定义测试平台的测试动作（给各信号端口激励信号并延时）
end

所有代码完成后，进行仿真

仿真第一次跑会根据仿真设置中的默认跑1000ns来跑，所以第一次的仿真都是1000ns的时间段中的动作
这里我们可以不用管，直接再次跑，在动作结尾加上 $stop; 即可跑到这里自动停止

4、时序仿真

跳过，这个项目中只进行了模拟仿真，并没有进行时仿真
原因是项目比较简单，无进行必要。但也可以进行。这个步骤有无都无所谓

5、IO引脚分配

打开综合类工程
在这里插入图片描述
必须打开后才能看到IO planning这个选项

IO设置中首先将I/O Std电压设定为3.3（LVCMOS33），只针对于目前手中的这个开发板进行的设定

其次根据引脚对应表，将拨码开关引脚进行设定

LED灯对应的引脚（高电平点亮）
在这里插入图片描述
根据表进行设定

设定完成后进行ctrl+s保存

6、生成代码，板级调试

在这里插入图片描述
因为之前没有进行布局布线，即

在生成BitStream时候会进行检查，没布局布线的话这一步会自动进行，所以这一步在之前省略了
点击之后，等待完成。
下一步连接硬件板卡进行程序下载
之后进行板级调试就OK

三个拨码开关，设定为a,b,c
8个LED灯代表out 0-7
拨码开关不同状态代表不同输出，led显示表示输出

课后题，写4-16译码器代码

1、module设计输入

在这里插入图片描述
代码完成后进行分析综合，即检查下代码有无错误

2、功能仿真

在这里插入图片描述
代码完成后进行分析综合，即检查下代码有无错误

3、布局布线

略

4、时序仿真

略

5、IO引脚分配

略

6、生成代码，板级调试

略

2024.12.23

四、时序逻辑计数器设计

什么是D触发器

在这里插入图片描述
CK上升沿的时候，将D端口的信号输出给Q端口
即D触发器有存储特性，只在CK端口上升沿变化，其余时间一概不管，即Q端口可以存储D的电平状态

什么是计数器

counter = counter+1
在这里插入图片描述
目标，设计1s频率闪烁的LED灯（亮灭各500ms）

目前板子的时钟是50MHz，那么执行每步操作时候为20ns
则500ms需要计数500ms/20ns=25000000

用Verilog代码实现led闪烁

1、设计输入：module编写

确认module端口，需要有时钟信号Clk，复位信号Reset_n（低电平复位），Led控制信号
确认信号的类型
时钟信号为输入 input
复位信号为输入 input
led信号为输出 output
counter信号为内部计数，多位D触发器，具体多少位，通过以下计算

即需要25位D触发器，设定为reg类型的counter：reg [24:0]counter;
即最终的端口定义是这样的

通过这个定义可以看出，内部端口也是需要进行定义的，而且内部端口不再试input和output类型的端口了，这里则使用的试reg寄存器类型来表示。
同时对需要进行复杂操作的端口也要进行reg的定义，如之后的代码需要让Led端口自行取反，即Led=!Led；
端口的逻辑操作，两种写法：1：综合在一块写；2：分开写
综合在一块写（不推荐）

分开写（推荐，构成的电路会更简便）

即最终的module代码：
在这里插入图片描述

这个图试后续运行后发现代码无法实现功能反回来查找问题，各种语句使用的都是“<=”，否则会有问题。
<= ：非阻塞赋值
= ：阻塞赋值

阻塞赋值  =
阻塞赋值是顺序执行的。在一个begin - end块中，多条阻塞赋值语句按照顺序依次执行，下一条语句会等待当前阻塞赋值语句执行完成后才开始执行。例如：
always @(posedge clk) begina = b;c = a;
end
当clk上升沿到来时，先执行a = b，将b的值赋给a，然后执行c = a，此时a已经更新为b的值，所以c得到的是更新后的a（也就是b的值）。应用场景：
常用于组合逻辑电路建模，特别是在需要按照特定顺序进行计算的组合逻辑中。例如，在实现一个简单的算术逻辑单元（ALU）的组合逻辑部分时，按照运算优先级进行计算就可以使用阻塞赋值。
还用于initial块中初始化变量，因为initial块主要是顺序执行的初始化代码，例如：
initial beginreg_a = 0;reg_b = 1;
end对仿真的影响：
在仿真过程中，由于阻塞赋值是顺序执行的，所以赋值语句的执行顺序会直接影响变量的值和仿真结果。如果赋值顺序不当，可能会导致不符合预期的结果。
例如，如果在组合逻辑中有相互依赖的阻塞赋值，可能会出现竞争冒险（race condition）现象，导致输出出现毛刺（glitch）。

非阻塞赋值  <=
非阻塞赋值是并发执行的。在一个always块中，所有非阻塞赋值语句在同一时刻开始计算表达式的值，但赋值操作会在当前时间步（time step）结束时同时更新目标变量。例如：
always @(posedge clk) begina <= b;c <= a;
end
当clk上升沿到来时，a <= b和c <= a这两个赋值语句会同时开始计算右侧表达式的值。此时计算c <= a时，a的值是更新前的值，等到这个always块执行结束后，a和c才会同时更新。所以c得到的是a的旧值。应用场景：
主要用于对时序逻辑电路进行建模，特别是在多个寄存器之间需要传递数据，并且这些寄存器的更新应该在时钟沿触发后同时进行的情况。例如，在一个简单的移位寄存器设计中：
always @(posedge clk) beginreg1 <= in_data;reg2 <= reg1;reg3 <= reg2;
end对仿真的影响：
非阻塞赋值在仿真时会在每个时间步结束时更新所有被赋值的变量，这样可以更好地模拟实际硬件中的寄存器等时序元件的行为。
有助于避免在时序逻辑建模中因为赋值顺序不当而产生的错误，但如果在组合逻辑中错误地使用非阻塞赋值，也可能会导致意想不到的结果，因为组合逻辑通常期望是立即更新输出的。

使用 = ，直接结果是后续仿真的时候高电平只持续了1个周期，即20ns就又变为低电平
使用<=，则可以实现500.00002ms一反转
在这里插入图片描述

为什么是500.000002ms，因为计数是从0开始，计数到25000000时候多计数了一个周期，即20ns，这里需要把计数改为24999999就OK
在这里插入图片描述

用到的语法

 always@(posedge Clk or negedge Reset_n)//当时钟（Clk）的上升沿或者复位（Reset_n）的下降沿时候，这个代码块工作，其他时候不工作。

counter <= 0;//counter清零，<=是非阻塞赋值的意思

counter=counter + 1'd1;//counter自加1

2、分析综合

在这里插入图片描述

3、仿真模拟

在这里插入图片描述
最终在module为以下情况下，进行仿真

得出下图：即高低电平切换时间为500ms

4、 IO设定

按键
在这里插入图片描述
LED灯

时钟引脚为Y18

5、生成程序、板级调试

略

2024.12.23

文章目录

一、整个工程的流程

二、基于Vivado的FPGA开发流程实践（二选一多路器）

什么是二选一多路器

用verilog语言，Vivado软件进行该电路实现

1、设计输入：Design Sources中的代码

2、分析和综合：分析设计输入中是否有错误

3、功能仿真，Simulation Sources中的仿真实现代码（Test_Bench）

4、布局布线

5、时序仿真

6、板级调试

（1）IO引脚分配

（2）程序下载

三、3-8译码器的实现

什么是3-8译码器

1、设计输入

用到的语法

整个3-8译码器代码为下

2、分析综合

3、仿真

4、时序仿真

5、IO引脚分配

6、生成代码，板级调试

课后题，写4-16译码器代码

1、module设计输入

2、功能仿真

3、布局布线

4、 时序仿真

5、IO引脚分配

6、生成代码，板级调试

四、时序逻辑计数器设计

什么是D触发器

什么是计数器

用Verilog代码实现led闪烁

1、设计输入：module编写

2、分析综合

3、仿真模拟

4、 IO设定

5、生成程序、板级调试

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4、时序仿真