FPGA初學(xué)者系列——模塊書寫&電路綜合

本系列文章主要針對FPGA初學(xué)者編寫，包括FPGA的模塊書寫、基礎(chǔ)語法、狀態(tài)機、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能驗證等。將每一個知識點作為一個章節(jié)進行講解，旨在更快速的提升初學(xué)者在FPGA開發(fā)方面的能力，每一個章節(jié)中都有針對性的代碼書寫以及代碼的講解，可作為讀者參考。

第一章：模塊書寫

Verilog HDL 語言的基本語法與 C語言相似，因此與 VHDL 相比較更容易上手。本章將會在實際小項目的基礎(chǔ)上，以 Verilog HDL 語言為主， 教讀者怎么更方便、更高效的學(xué)習 FPGA。

Verilog HDL 中的 HDL 指的是硬件描述語言（Hardware Description Language）， 顧名思義，Verilog HDL 可以描述對應(yīng)的硬件電路，下面以一個小例子說明。

如圖1所示為電路示意圖， 首先分析一下該電路：

①兩個輸入端口即 a 和 b，為了更好地讓讀者理解該變量為一個輸入端口，輸入端口可加上方向pi（port input）表示輸入。面對大量的代碼，一個比較好的命名風格，更方便我們后續(xù)的驗證， 希望前期就可以養(yǎng)成比較好的命名風格。

②一個輸出端口即 c，同理 po 即為 port output。

功能：該電路實現(xiàn) a 和 b 相與，結(jié)果為 c。

在用 Verilog HDL 描述一個電路時，必須要對該電路命名，此處我們對該電路命名為 a_and_b。在用 Verilog HDL 描述一個電路時， 模塊的開始都是以 module 開始，endmodule 結(jié)束， module 后面寫該模塊的模塊名，模塊名的后面有一個小括號，所有該模塊的端口都需要在此小括號內(nèi)聲明，小括號以分號結(jié)束（半角分號，同c 語言一樣， Verilog HDL 中每一條語句也是以分號結(jié)束）。

在 module 與 endmodule 之間，可以定義必要的內(nèi)部變量，以及我們所有描述的邏輯功能。具體如圖2所示：

建議安裝專門編輯程序的一些軟件，例如Notepad++軟件界面及功能都比較齊全。用 Notepad++打開我們新建的 V 文件， 按照模板書寫模塊a_and_b的 Verilog HDL 代碼， 如下所示：

代碼解析：

①模塊以 module 作為開頭， endmodule 作為結(jié)尾， 需要注意模塊名與 V 文件名要一致；

②小括號內(nèi)描述端口， Verilog HDL 中輸入端口的關(guān)鍵字為 input，輸出端口的關(guān)鍵字為 output。wire（線） 為端口的變量類型， input 端口的變量均為 wire型， Verilog HDL 中另一種常用的變量類型為 reg（寄存器），將在后面的章節(jié)詳細介紹；

③代碼第 8 行， 描述了具體的邏輯功能， assign 為 Verilog HDL 中的關(guān)鍵字，assign 可以描述組合邏輯，每一個 assign 后面只能跟一條語句。Verilog HDL 中另一個常用的關(guān)鍵字為 always， 后續(xù)會詳細講解。該語句表達的意思為 a&b賦值給 c， 其中=為賦值號， 將右邊的結(jié)果賦值為左邊的變量， &為按位與，即變量的對應(yīng)位相與， 將在基礎(chǔ)語法部分詳細講解。

這樣我們就已經(jīng)將圖中電路描述清楚了，代碼只需要按照給出的模板填寫對應(yīng)的內(nèi)容即可。

第二章節(jié)我們將會講解在ISE中如何驗證代碼是否有語法錯誤，以及將對應(yīng)的代碼轉(zhuǎn)變成 RTL 電路。

第二章：電路綜合

第一章中已經(jīng)將 a & b = c 對應(yīng)的 Verilog HDL 程序?qū)懗觯?但是我們無法得知我們所寫的代碼是否有語法錯誤，也不知道代碼是否能夠按照我們的意思生成對應(yīng)的電路。本章中我們將會使用 xilinx 公司的 ISE 軟件對所寫的程序進行綜合，從中可以得知代碼是否有語法錯誤，以及生成對應(yīng)的 RTL 電路。為了方便管理，我們在與 design 文件夾同路徑下新建一個文件夾，取名為ise_prj（基于 ISE 的 project）。打開 ISE，會看到如圖 1 所示的界面。點擊右上角的 File，選擇 New Project…新建一個工程。

彈出如圖 2 所示的界面，在 Name 處填寫工程名字（盡量保證與頂層文件名一致即a_and_b）， Location 處選擇工程存放的路徑， Working Direction 默認路徑與 Location一致， Top-level source type 處按照所需選擇，此處我們選擇 HDL。

點擊 Next，彈出如下圖 3的界面，按照板卡芯片選擇對應(yīng)的選項，若是只想看看生成的 RTL 電路（不下板調(diào)試），則不需要選擇，或者隨便選擇一個芯片即可。

點擊 Next，再點擊 Finish 完成工程的創(chuàng)建。按照圖4所示，右鍵點擊芯片型號，選擇 Add Source…添加已經(jīng)存在的文件（a_and_b.v）。找到 design 文件夾中a_and_b.v 文件所在的路徑，選中該文件，點擊 OK。

添加文件后的工程界面如圖 5 所示。

選中 a_and_b，雙擊 Synthesize 選項進行對我們的程序進行綜合。若是沒有語法錯誤則會出現(xiàn)圖6左所示的界面，如果有語法錯誤則會出現(xiàn)圖6右所示的界面，則需要查看錯誤報告將錯誤的地方改正并重新綜合，直至編譯通過為止。

在綜合正確的情況下，點擊 Synthesize 選項前面的加號，如圖 7 所示。

雙擊 View RTL Schematic 選項，出現(xiàn)如圖8所示的界面。

選擇 Start with a schematic of the top-level block，點擊 OK 選項，生成如下圖 9 所示界面。

可以雙擊圖 9 所示的模塊的模型，則可以看到模塊內(nèi)部的 RTL 電路，如圖 10 所示。

從圖 10 中我們可以看到生成的電路是我們用 Verilog HDL 語言描述的電路結(jié)構(gòu)。代碼的語法及電路驗證都是正確的，但是具體的功能是否滿足我們的要求呢， 這就需要我們通過仿真來驗證了。

在第三章中，我們會針對該代碼書寫對應(yīng)的測試文件，并且通過 Modelsim 軟件來驗證我們的a_and_b 模塊功能是否正確。

編輯：hfy