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[原创]基于Vivado开发FPGA程序快速入门

发表于: 2023-3-17 20:13 15216

[原创]基于Vivado开发FPGA程序快速入门

二当家a

2023-3-17 20:13

15216

本实验的主要目的是实现4个LED灯循环亮灭的逻辑，来体验典型的vivado FPGA程序编写流程，并采用仿真验证。主要涉及到这些步骤：项目创建流程、写RTL程序实现逻辑、写testbench验证逻辑、写XDC硬件管脚约束、烧写程序，并查看结果。

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没有实现的文件，可以先不指定需要导入到项目的文件。

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根据实际情况选择开发板型号。笔者的开发板是这样的型号。

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检查一下没有问题，就可以finish了。

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新建好项目之后，添加实现的RTL文件：

选择添加design sources.
其中，第一个constraints是用于配置硬件的管脚约束的，也就是输入输出和硬件实际PIN/PORT映射关系；
第三个是添加testbench仿真文件。
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Vivado还是创建的是verilog的文件。不是verilog HDL。
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直接ok就行。

源代码如下所示：

简单的逻辑。

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选择run synthesis综合一下：
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综合成功之后，会提示你下一步是否继续。可以先cancel，然后我们下面来写测试的逻辑。
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同样的，也是添加source
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源代码如下：

核心就是启动激励就行。
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右键点击run simulation，我们先键入simulation settings进行必要的设定。进入之后，可以拉长仿真的时间，用于查看完整的仿真周期。此外，建议把simulate.log_all_signals也加上。这样的话，所有的信号波形都会被记录下来，我们后续在窗口中，按需添加想要查看的变量就行。
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左键点击，准备执行：
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查看仿真结果，并且对应调试。
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想要添加查看的变量，直接右键添加就行。

--题外话：（对于状态机类型的RTL逻辑验证，可以考虑引入一个状态机自动分析的工具，辅助判断波形是否符合状态机的预期，从而加速调测。工具的输入：状态机定义文件、仿真的波形文件；输出：不符合状态机流转的前后状态、出问题的波形位置、出问题的代码位置）

管脚约束是应用RTL程序到硬件上非常重要的一步，需要结合硬件的datasheet来填写。这里也有一个写好的xdc文件，可以直接导入。
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选择添加约束文件。
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源代码如下：

查看导入XDC文件之后，管脚实际分配的情况：
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对应形成的配置就是这样：
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生成bit文件，这个bit文件就是最终要烧录到FPGA上的。
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接着，给开发板通电。
选择连接都开发板：
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连接成功后显示：
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接着我们选择烧写程序，就可以把程序烧录上去了。
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ILA是Integrated Logic Analyzer，集成逻辑分析器:即Vivado的在线逻辑分析仪，其借用了传统逻辑分析仪的理念以及大部分的功能，并利用FPGA 中的逻辑资源，将这些功能植入到FPGA 的设计当中。ILA是用IP核的形式实现的。
在线逻辑分析仪通过一个或多个探针（Probe）来采集希望观察的信号，然后通过片内的JTAG 硬核组件，来将捕获到的数据传送给下载器，进而上传到Vivado IDE 以供用户查看。Vivado IDE 也能够按照上述数据路径，反向地向FPGA 中的在线逻辑分析仪传送一些控制信号。
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首先在工程中，添加ILA的IP。打开IP catalog。
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找到ILA的IP，双击。
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Comparator数量：指每个probe可以配置的capture条件。
Probe数量：指捕获的探针数量。

我们当前这个程序，主要就是观测LED数值的变化。因此，就设定一个探针probe。
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LED是4bit的，所以设置probe探针长度为4bits。
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由于我们这个程序没有在Block design中设计，而是直接嵌入到verilog代码的，因此选择out of context per IP。不用做连线啥的操作。

接下来就在代码中，实例化ILA的 IP。

当然，我们可以根据实际需求，生成多个probe，然后把变量分别放到不同的probe；或者生成一个probe，将多个变量聚合到这一个proble里面。下面的方式都是可行的。
多种设置probe探针的方式：

接下来，我们重新综合-implement-烧录程序到FPGA开发板上。

可以直接设置触发的条件：
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点击启动，就可以发现波形停留在了led_r ==4的位置。这个就是从开发板上实际获取的波形。

还可以将波形图导出，方便后续分析：

图片描述

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company: 

// Engineer: 

//

// Create Date: 2023/03/17 17:14:24

// Design Name: 

// Module Name: flow_led_demo

// Project Name: 

// Target Devices: 

// Tool Versions: 

// Description: 

//

// Dependencies: 

//

// Revision:

// Revision 0.01 - File Created

// Additional Comments:

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
module flow_led_demo#(

parameter T_INR_CNT_SET = 32'd999_999_999                      
)                                                               
(                                                               

 input          sysclk_p,                                      

 input          rstn_i,                                         

 output [3:0]   led_o                                           
);
 
reg [3:0] led_r;                                                

reg[24:0] t_cnt;
 
assign led_o = led_r;                                           
 
always @(posedge sysclk_p or negedge rstn_i)begin

    if(rstn_i==1'b0)                                            

       t_cnt <= 0;

    else if(t_cnt == T_INR_CNT_SET)                            

       t_cnt <= 0;

    else

       t_cnt <= t_cnt + 1'b1;                                     
end
 
always @(posedge sysclk_p or negedge rstn_i) begin                 

    if(rstn_i==1'b0)

        led_r <= 4'b1000;                                         

    else if( t_cnt == 0)                                          

        led_r <= {led_r[0],led_r[3:1]};                           
end
 
endmodule

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company:

// Engineer:

//

// Create Date: 2023/03/17 17:14:24

// Design Name:

// Module Name: flow_led_demo

// Project Name:

// Target Devices:

// Tool Versions:

// Description:

//

// Dependencies:

//

// Revision:

// Revision 0.01 - File Created

// Additional Comments:

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module flow_led_demo#(

parameter T_INR_CNT_SET = 32'd999_999_999

input sysclk_p,

input rstn_i,

output [3:0] led_o

);

reg [3:0] led_r;

reg[24:0] t_cnt;

assign led_o = led_r;

always @(posedge sysclk_p or negedge rstn_i)begin

if(rstn_i==1'b0)

t_cnt <= 0;

else if(t_cnt == T_INR_CNT_SET)

t_cnt <= 0;

else

t_cnt <= t_cnt + 1'b1;

end

always @(posedge sysclk_p or negedge rstn_i) begin

if(rstn_i==1'b0)

led_r <= 4'b1000;

else if( t_cnt == 0)

led_r <= {led_r[0],led_r[3:1]};

end

endmodule

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company: 

// Engineer: 

//

// Create Date: 2023/03/17 17:21:05

// Design Name: 

// Module Name: flow_led_demo_tb

// Project Name: 

// Target Devices: 

// Tool Versions: 

// Description: 

//

// Dependencies: 

//

// Revision:

// Revision 0.01 - File Created

// Additional Comments:

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
module flow_led_demo_tb();
 
reg sysclk_p,rstn_i;      

wire [3:0]  led_o;        
 
flow_led_demo#
(

.T_INR_CNT_SET(1000)       
)
run_led_inst(

 .sysclk_p(sysclk_p),      

 .rstn_i(rstn_i),          

 .led_o(led_o)             
);
 
initial begin

   sysclk_p  <= 1'b0;     

   rstn_i    <= 1'b0;     

   #100;                  

   rstn_i    <= 1'b1;     
end
 
always #20 sysclk_p=~sysclk_p;    
 
endmodule