FPGA知識詳解之基礎(chǔ)篇的技術(shù)分享

上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

1.Verilog基礎(chǔ)語法

1.1 可綜合模塊

以module為單元，具體實現(xiàn)如下

1.1.1 時序邏輯

以異步觸發(fā)的D觸發(fā)器為例，時序邏輯在always塊里實現(xiàn)

主要注意點(diǎn)：

1. 聲明模塊時，輸入變量一定是wire類型。

2. 聲明模塊時，輸出變量可以是wire，也可以是reg, reg變量只能在always塊中賦值。

3. 敏感列表既可以是邊沿觸發(fā)，也可以是電平觸發(fā)。

4. 沿觸發(fā)的邏輯里，一定采用的是非阻塞觸發(fā)<=。

1.1.2 組合邏輯

以數(shù)據(jù)選擇器為例，組合邏輯通常使用assign語句賦值

主要注意點(diǎn)：

1. sel = 0時，c = a；sel = 1時，c =b，即二選一數(shù)據(jù)選擇器。四選一則有兩個選擇端，四個輸入端，八選一則是三個選擇端，八個輸入端。

2. wire 變量一定要用連續(xù)賦值語句賦值，而且必須用阻塞賦值。

1.2 仿真模塊

仿真模塊和可綜合模塊的區(qū)別：

可綜合模塊最終生成的bit文件會燒錄進(jìn)芯片運(yùn)行，而仿真模塊編譯過后是在仿真軟件（例如modelsim）上運(yùn)行的。仿真模塊是基于可綜合模塊進(jìn)行例化，并通過仿真軟件的模擬，可以初步驗證我們寫的可綜合模塊的實現(xiàn)現(xiàn)象。

以計數(shù)器為例，可綜合模塊如下：

基于以上可綜合模塊的仿真模塊如下：

1. 仿真的模塊聲明不需要輸入列表。

2. initial塊只能對【寄存器】量進(jìn)行賦值。

3. 例化模塊時，如果原始模塊是輸出變量，則括號內(nèi)必須【wire變量】。

HDL常見例子

2.1 譯碼器

2.1.1 可綜合模塊（case語句）

此模塊用case實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)選擇的功能，先產(chǎn)生了一個8位計數(shù)器，通過判斷計數(shù)器的值來輸出不同的取值，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到1時，o_data和o_dv分別輸出5和1，當(dāng)計數(shù)器為2時，輸出7和1，其余均輸出0。（Note：Case語句常常運(yùn)用于狀態(tài)機(jī)中狀態(tài)的判斷）

Case語句注意點(diǎn)：

必須有default語句，否則會形成鎖存器

2.1.2 仿真模塊

2.2狀態(tài)機(jī)

由于FPGA內(nèi)部語句塊都是并行運(yùn)行的，當(dāng)我們希望FPGA按照順序執(zhí)行我們的語句時，就會用到狀態(tài)機(jī)。

下面例子是使用狀態(tài)機(jī)模擬的一個簡單的自動售貨機(jī)，該售貨機(jī)中的商品 2.5 元一件，每次投幣既能投入 1 元， 也能投入 0.5 元，當(dāng)投入 3 元時，需要設(shè)定找零。

2.2.1 狀態(tài)圖

2.2.2 可綜合模塊（2段式狀態(tài)機(jī)）

2.2.3 仿真模塊

2.2.4 仿真腳本

仿真腳本可以省去人工操作modelsim軟件圖形頁面的步驟，運(yùn)行腳本，modelsim可以根據(jù)腳本命令自動運(yùn)行包括創(chuàng)建工作目錄，編譯文件，啟動仿真等步驟，以下是本例中的仿真腳本。

仿真腳本編寫好后，只需要進(jìn)入仿真軟件（本例使用的是modelsim），改變當(dāng)前路徑到腳本保存的路徑，然后在modelsim命令行輸入 do [腳本文件名]即可。

仿真結(jié)果：

2.2.5 上板測試

上板測試對原來的條件做了一定改動更方便觀測結(jié)果，輸入和輸出分別使用的按鍵和LED燈，測試版使用的是Anlogic的EF3L40CG332B_DEV，實現(xiàn)的功能如下：

① 在開發(fā)板上完成自動售貨機(jī)的實驗，投幣的動作通過按鍵實現(xiàn)， 當(dāng)按一次按鍵（按下到抬起算一次），算作投幣一次；

② 按鍵有兩個，按下分別代表 5 毛和 1 元，可樂售價 2.5 元；

③ 當(dāng)投入總金額為 5 毛時， led 燈亮一個，投入總金額為 1 元時， led 燈亮兩個， 投入總金額為 1.5 元時， led 燈亮三個， 投入總金額為 2 元時， led 亮四個， 用單向流水燈效果充當(dāng)出可樂并且不找零的情況，用雙向流水燈效果充當(dāng)既出可樂又找零的情況。流水燈持續(xù)十秒后熄滅，狀態(tài)回到初始狀態(tài)。

重新設(shè)計狀態(tài)圖如下：

代碼詳見工程fsm_key，筆記不再贅述，此次筆記主要記錄關(guān)于頂層模塊和例化的相關(guān)知識點(diǎn)：

工程目錄如下所示：

各模塊之間的關(guān)系是：

頂層文件是fsm.v，在fsm.v中調(diào)用了模塊led_water_single,led_Water_double和key_debounce，這三個模塊的功能分別是單向流水燈，雙向流水燈和按鍵消抖。想在頂層文件中調(diào)用對應(yīng)的模塊需要在頂層文件中對相應(yīng)的模塊進(jìn)行例化，以單向流水燈為例。

單向流水燈的聲明如下：

（具體功能實現(xiàn)代碼略，如有需要，請登錄www.fortune-co.com留言）

那么在fsm.v中例化方法如下：

括號外的信號是對應(yīng)的聲明信號；括號內(nèi)的信號是從fsm模塊中傳入的信號，該信號名稱可以自定義。

整個工程的框架如下:（由于本實驗沒有另外寫一個總的TOP文件，而是將例化和狀態(tài)機(jī)信號處理都放在了fsm模塊中，因此top層和狀態(tài)機(jī)模塊都標(biāo)注的是fsm）

其中key05，key10，就是從外界接入的信號，led[7:0]即輸出信號。接入信號我們要引到對應(yīng)的按鍵，可以參考EF3L40CG332B_DEV的原理圖

SW2和SW3對應(yīng)的FPGA的管腳分別是R19和R20，同理可查，八個led的對應(yīng)腳，并寫出相應(yīng)的管腳約束文件。

管腳約束文件寫完后，在可綜合模塊頂層文件中的輸入輸出信號就會對應(yīng)到相應(yīng)的物理輸入輸出，也可以使用圖形頁面設(shè)置。

完成后編譯下載到板子上觀測現(xiàn)象。

在本次實驗的過程中也發(fā)生了一個編程錯誤問題，剛編寫完上板測試時發(fā)現(xiàn)結(jié)果和預(yù)想的有差異，具體錯處在輸入3元進(jìn)入雙向流水燈的狀態(tài)時，雙向流水燈正向流水正常，當(dāng)反向流水時，在倒數(shù)第二個燈會卡住，然后反復(fù)亮滅倒數(shù)一二個燈，沒法完成反向流水。

由于第一次正向流水是正常的，因此推測是在反向流水時有條件判斷錯誤使得反向流水無法正常運(yùn)行，進(jìn)入到led_water_double模塊關(guān)于反向流水燈的操作模塊，經(jīng)查驗發(fā)現(xiàn)是設(shè)置翻轉(zhuǎn)標(biāo)志的時候判斷條件寫錯了。

判斷條件應(yīng)該是led == 8’b1111_1110，更改后，實驗現(xiàn)象符合預(yù)期要求。

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