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FPGA开发流程

news 2025/8/28 7:49:54

FPGA开发流程

- 前言
- 需求分析
- 模块设计
- 工程搭建（Vivado）
- 功能仿真（Modelsim）
- 生成下载文件
- 上板验证
- Flash固化

前言

本文是以“流水灯设计”进行FPGA开发流程讲解。需求如下：

使开发板上的4个LED灯顺序点亮并熄灭，循环往复产生流水灯的效果，流水间隔时间为0.5s。

需求分析

开发板上LED灯硬件连接的示意图如下图所示，当FPGA输出低电平时，LED灯点亮；输出高电平时，LED灯熄灭。

硬件实物图如下图所示：

在这里插入图片描述

FPGA引脚分配关系如下表所示：

引脚名称	IO方向（相对于FPGA）	电平标准（IOSTANDARD）	引脚位置（PACKAGE_PIN）
led[0]	Output	LVCOMS33	F19
led[1]	Output	LVCOMS33	E21
led[2]	Output	LVCOMS33	D20
led[3]	Output	LVCOMS33	C20

模块设计

该需求功能是4个 LED 灯实现流水灯的效果，因此给模块命名为 flow_led。

两个灯流水的间隔时间为 0.5s，间隔时间的控制需要通过计数器来实现，即通过计数器来实现计时的功能，因此本次实验需要用到系统时钟；

除此之外，系统复位在 FPGA 系统中也是必不可少的，当程序出现跑飞等异常情况时，可以使程序恢复至默认状态；

由以上分析可知，本次实验需要2个输入的端口，分别为系统时钟和系统复位，输出为 4位的 LED 端口，模块框图如下图所示：

在这里插入图片描述

模块端口与功能描述如下表所示：

信号名	位宽	方向	端口说明
sys_clk	1	输入	系统时钟，50MHz
sys_rstn	1	输入	系统复位按键，低电平有效
led	4	输出	LED，低电平有效

前面需求分析过硬件设计部分，当IO输出低电平0时，点亮LED灯；当IO输出高电平1时，LED灯熄灭，因此要想控制LED实现流水灯效果，第一次的时候给led端口赋值4‘b1110；等待0.5s后，给led端口赋值4’b1101；等待0.5s后，给led端口赋值4’b1011；等待0.5s后，给led端口赋值4’b0111；后面依次类推，4个LED即可实现流水的效果。

LED 灯流水的间隔为 0.5s，因此接下来还需要做一个 0.5s 的延时，延时的功能可以通过计数器实现，每当计数器计时到 0.5s 后，切换一次 LED 灯的显示状态即可。当计时完成后，开始控制 LED 灯的状态。对于流水的功能非常适合移位的操作来实现，由此得到模块内部的框图如下图所示：

在这里插入图片描述

系统时钟 sys_clk 的时钟周期为 20ns（对应开发板板载的晶振频率为 50Mhz），计数器计时 0.5s 需要0.5s/20ns=500_000_000ns/20ns = 25_000_000 个时钟周期，由于计数器是从 0 开始计数，所以计数器最大计数到25000000-1，刚好是 0.5s。

由此绘制出 flow_led 模块的波形图如下图所示：

在这里插入图片描述

由上图可知， tcnt 循环从 0 计数到 24999999，表示计时 0.5s。每当计数器计数到最大值时，此时切换LED 灯的状态。

流水灯（flow_led.v）代码编写如下：

// 流水灯模块, 流水间隔0.5smodule flow_led (// 模块时钟及复位input         sys_clk,input         sys_rstn,// LED输出output [3:0]  led
);//------------------------------------
//             Local Signal
//------------------------------------reg [24:0] tcnt = 0; // 计数器reg [3:0]  led_ff = 4'b1110; // 移位寄存器//------------------------------------
//             User Logic
//------------------------------------
// 计数器计时0.5salways @ (posedge sys_clk or negedge sys_rstn)if (!sys_rstn)tcnt <= 25'd0;else if (tcnt < 24'd24_999_999)tcnt <= tcnt + 25'd1;elsetcnt <= 25'd0; 
// led输出移位寄存器always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rstn)if (!sys_rstn)led_ff <= 4'b1110;else if (tcnt == 24'd24_999_999)led_ff <= {led_ff[2:0],led_ff[3]};elseled_ff <= led_ff; 
//------------------------------------
//             Output Port
//------------------------------------assign led = led_ff;endmodule

流水灯（flow_led.v）的 Testbench 仿真代码编写如下：

`timescale 1ns/1nsmodule tb_flow_led;//*************************** Parameters ***************************parameter  PERIOD_CLK = 20;//***************************   Signals  ***************************// 模块时钟及复位reg        sys_clk = 0;reg        sys_rstn = 0;// LED输出wire [3:0] led;//*************************** Test Logic ***************************always # (PERIOD_CLK/2) sys_clk = ~sys_clk;initialbegin#100;sys_rstn = 1;#5000;$stop;end//***************************  Instance  ***************************flow_led u_flow_led(// 模块时钟及复位.sys_clk  (sys_clk),.sys_rstn (sys_rstn),// LED输出.led      (led));endmodule

由于流水灯模块定义的流水0.5s间隔较长，虽然 0.5s 从时间上来说比较短暂，但是对于仿真来说，仿真 0.5s 需要的时间较长。尤其是对于复杂的程序来说，有时候仿真几十毫秒，就需要好几个小时，因此为了降低仿真的等待时间和提升效率，一般需要对程序中延时较长的代码进行修改，流水灯模块修改后的代码如下（将流水时间间隔改为500ns）：

// 流水灯模块, 流水间隔0.5smodule flow_led (// 模块时钟及复位input         sys_clk,input         sys_rstn,// LED输出output [3:0]  led
);//------------------------------------
//             Local Signal
//------------------------------------reg [24:0] tcnt = 0; // 计数器reg [3:0]  led_ff = 4'b1110; // 移位寄存器//------------------------------------
//             User Logic
//------------------------------------
// 计数器计时0.5salways @ (posedge sys_clk or negedge sys_rstn)if (!sys_rstn)tcnt <= 25'd0;// else if (tcnt < 24'd24_999_999)else if (tcnt < 24'd24)tcnt <= tcnt + 25'd1;elsetcnt <= 25'd0; 
// led输出移位寄存器always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rstn)if (!sys_rstn)led_ff <= 4'b1110;// else if (tcnt == 24'd24_999_999)else if (tcnt == 24'd24)led_ff <= {led_ff[2:0],led_ff[3]};elseled_ff <= led_ff; 
//------------------------------------
//             Output Port
//------------------------------------assign led = led_ff;endmodule

工程搭建（Vivado）

双击打开 Vivado，点击”Create Project“；
点击 ”Next“；
工程命名；
选择工程类型”RTL Project“，点击”Next“；
一直点击 ”Next“；
选择芯片型号；
添加代码和仿真文件；

功能仿真（Modelsim）

设置选择仿真工具为 Modelsim；
设置Modelsim安装路径和库路径；
点击开始仿真；
添加要观察的信号至波形窗口；
点击“Run all”，查看仿真波形是否跟功能一致；
由上图可知， led=4’b1110的持续时间为 500ns， led=4’b1101 的持续时间同样也是 500ns，即 LED 灯的流水间隔为 500ns，波形和预期相符。

需要注意的是，在仿真结束之后，将代码中定义的 LED 流水间隔时间改回 0.5s，否则 500ns 的时间间隔太短，人的肉眼会看不到流水的效果。

生成下载文件

编写约束文件；

############## NET - IOSTANDARD ##################
set_property CFGBVS VCCO [current_design]
set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]
#############SPI Configurate Setting##################
set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
############# clock #########################
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]
set_property PACKAGE_PIN Y18 [get_ports sys_clk]
create_clock -period 20.000 [get_ports sys_clk]
############# reset ##########################
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_rstn]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports sys_rstn]
########################### LED Define ###########################
set_property PACKAGE_PIN F19 [get_ports {led[0]}]
set_property PACKAGE_PIN E21 [get_ports {led[1]}]
set_property PACKAGE_PIN D20 [get_ports {led[2]}]
set_property PACKAGE_PIN C20 [get_ports {led[3]}]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[*]}]

添加约束文件；
Bitstream 设置，同时生成固化文件；
点击生成 Bitstream；
生成文件路径如下：

上板验证

先连接硬件，把 JTAG 下载器和开发板连接，然后开发板上电，下图为开发板的硬件连接图：

在这里插入图片描述

点击 Open target 按钮->Auto Connect，在 hardware 界面下会显示 xc7a35t_0（ AX7035 开发板）或 xc7s50_0（ AX7050 开发板）的图标，说明 JTAG 连接已经建立；
右键选择 xc7a35t_0（ AX7035 开发板）或 xc7s50_0（ AX7050 开发板） ,在弹出的选项里选择Program Device 项；
在弹出的 Program Device 对话框中，选择 flow_led 项目生成的 bit 文件，点击 Program 按钮烧写 FPGA。
烧写完成后 xc7a35t_0（ AX7035 开发板）或 xc7s50_0（ AX7050 开发板）的状态会变成Programmed, 这时我们可以看到开发板上的四个 LED 灯已经在做流水灯动作了。

Flash固化

直接下载 Bit 文件到 FPGA 后，开发板重新上电后配置程序已经丢失，还需要JTAG 下载，只有固化到 Flash，才能实现上电不丢失。具体步骤如下：

在如下图中右键选择 xc7a35t_0（ AX7035 开发板）或 xc7s50_0（ AX7050 开发板）芯片，在弹出的列表中选择 Add Configruation Memory Device… ；

注意：如果发现此项变为灰色不能选，是因为我们提供的工程中已经添加了 FLASH 配置，不能再添加 FLASH，如下：

当然自己如果想在已有 flash 的工程中再次添加一下进行实验话，可按如下图移除 flash，然后按上面添加 flash 的步骤进行即可：
在 Add configruation Memory Device 的配置界面里选择正确的 FLASH 型号，如下图所示：
提示是否对 SPI FLASH 进行编程，点击 OK；
在弹出的 Program Configuration Memory Device 窗口中， Configration file 项选择 Vivado 生成的flow_led.bin 文件（此文件默认在 impl_1 目录下）。 PRM File 项不用选。另外在这个窗口用户还可以配置 I/O 为上拉，下拉或者无上下拉。配置操作选项保留默认就可以；
点击 OK 开始编程 FLASH；
FLASH 编程完毕后，会弹出如下成功的界面。
至此， SPI FLASH 烧写完毕， flow_led 程序已经固化到 SPI FLASH 中了。我们来验证一下，关电重新启动开发板，等待一会儿你就可以看到开发板上的 LED 灯已经在做跑马运动了。