FPGA教程：通過Mojo開發(fā)板介紹FPGA

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

引言

迄今為止，我們的嵌入式系統(tǒng)教程和項(xiàng)目已經(jīng)使用了多塊微控制器開發(fā)板，比如不同型號(hào)的Arduino微控制器板。使用微控制器時(shí)，用戶將微控制器上的數(shù)字和模擬接口引腳連至受控外圍電子設(shè)備，然后，用戶上傳包含一系列指令的軟件，微控制器會(huì)循環(huán)執(zhí)行這些指令。運(yùn)行時(shí)，微控制器的核心處理器按照微控制器模塊的時(shí)鐘速率讀取并執(zhí)行這些指令。因此，我們可以看到，在某一時(shí)刻，微控制器通常只運(yùn)行一條指令。

對(duì)于許多嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目來說，尤其是那些在入門微控制器模塊（比如Arduino開發(fā)板）上實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目，這種單獨(dú)的指令執(zhí)行并不影響性能。這是因?yàn)闀r(shí)鐘速度足夠快，以至于人類感官無法區(qū)分后續(xù)運(yùn)行。然而，許多大型應(yīng)用可能需要不同的操作并行運(yùn)行，這就使得微控制器實(shí)現(xiàn)變得非常復(fù)雜或完全不可能。現(xiàn)場可編程門陣列（簡稱FPGA）是一種不同的計(jì)算平臺(tái)，由于其固有的不同功能方式，能夠?qū)崿F(xiàn)微控制器無法實(shí)現(xiàn)的功能。

圖1：一塊Arduino微控制器開發(fā)板（左）和一塊Altera FPGA開發(fā)板（右）/ ?RobotShop & ?Waveshare

FPGA和微控制器的主要區(qū)別在于配置方法。用戶不需要像處理微控制器那樣上載一系列指令讓板載芯片解釋執(zhí)行，而是直接配置FPGA的硬件。這意味著用戶為FPGA編寫的程序不是重復(fù)執(zhí)行的一系列指令，而是如何配置內(nèi)部硬件以執(zhí)行不同任務(wù)的規(guī)劃。硬件以內(nèi)部邏輯門和存儲(chǔ)單元的形式出現(xiàn)，最基本的級(jí)別就是多晶體管電路組合。

由于FPGA的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)實(shí)際上只是硬件連接，所以FPGA可以并行運(yùn)行多個(gè)操作！想象一下，如果系統(tǒng)任務(wù)如下：讀取光敏電阻上的壓降；讀取霍爾效應(yīng)傳感器的輸入；并通過UART連接與另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。微控制器方案的程序流程圖可能如下所示：

請(qǐng)注意不同任務(wù)是串行完成的。而FPGA則可以使用不同電路分別執(zhí)行三個(gè)任務(wù)，因此允許系統(tǒng)并行執(zhí)行所有三個(gè)操作。因此，F(xiàn)PGA方案的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)原理將如下所示：

上述例子只是很簡單地解釋了微控制器方案與運(yùn)行和FPGA方案與運(yùn)行之間的區(qū)別，這一點(diǎn)很重要。實(shí)際上，F(xiàn)PGA的內(nèi)部項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)取決于項(xiàng)目本身，微控制器可能通過并行化執(zhí)行指令來提高性能。關(guān)鍵的一點(diǎn)是這兩種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的方式不同：微控制器串行執(zhí)行指令，而FPGA則通過路由內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)功能行為。

許多FPGA開發(fā)板都可以當(dāng)作入門模塊使用，比如Digilent和Xilinx出售的Arty和Basys開發(fā)板。在本教程中，我們將使用Embedded Micro的Mojo V3。這是一款低成本板卡，也可用作入門模塊。我個(gè)人比較喜歡Mojo開發(fā)板，比如Basys 3，因?yàn)樗鼛в写罅靠膳c外部電路連接的插頭引腳！此外，Embedded Micro還提供許多很棒的教程，幫助開發(fā)人員使用FPGA（請(qǐng)參考附錄中的鏈接）！

圖2：Mojo V3開發(fā)板/ ?Embedded Micro

在本教程中，我們從一個(gè)基本的輸入/輸出示例開始，向您介紹Mojo開發(fā)板的編程過程。在第2部分中，我們會(huì)為您準(zhǔn)備一個(gè)更復(fù)雜的項(xiàng)目：硬件PWM實(shí)現(xiàn)！

本教程演示了如何使用Verilog硬件描述語言（稍后我們將詳細(xì)討論該語言）來配置Mojo！Verilog及其變體已經(jīng)成為行業(yè)常用軟件，所以您通過 Mojo項(xiàng)目學(xué)到的知識(shí)也能應(yīng)用到其他更高級(jí)的開發(fā)板上！

所需軟硬件如下：

硬件：

Mojo V3開發(fā)板

Micro USB電纜

Windows或Linux電腦（不幸的是，目前不支持Mac操作系統(tǒng)）

紅色LED

1 x 150?或類似電阻（用于LED限流）

2 x 10k?電阻（用于按鈕下拉）

面包板和跳線

軟件：

Mojo Loader（將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上傳至FPGA）

ISE Design Suite（編寫和綜合Verilog代碼的IDE）

在下載頁面上向下滾動(dòng)，直到看到標(biāo)有“ISE Design Suite”的部分

Mojo 基本項(xiàng)目（所有項(xiàng)目都將以Mojo提供的該項(xiàng)目骨架為基礎(chǔ)）

比如說，我們想只有當(dāng)兩個(gè)外部按鈕都按下時(shí)，才能點(diǎn)亮一個(gè)外部LED。首先，我們注意到這是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，因?yàn)榘粹o輸入電壓和LED輸出電壓只能取兩個(gè)值中的一個(gè)：0伏或3.3伏。我們可以用邏輯0表示0伏，用邏輯1表示3.3伏，從而對(duì)輸入端和輸出端的所有可能電壓值進(jìn)行二進(jìn)制編碼。實(shí)際上，1和0是“高”和“低”數(shù)字電壓信號(hào)的另一種表達(dá)方式。

下表總結(jié)了按鈕輸入的所有值和對(duì)應(yīng)的LED輸出值：

熟悉布爾代數(shù)（研究二進(jìn)制值和二進(jìn)制值的不同運(yùn)算）的人會(huì)把這個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)看作與（AND ）門。與門的工作原理是只有當(dāng)兩個(gè)輸入都是1時(shí)輸出才是1，這正是我們想要的按鈕和LED配置！許多邏輯門將輸出值定義為輸入值的函數(shù)。要查看所有邏輯門的信息，請(qǐng)點(diǎn)擊附件中的鏈接！

我們首先按下圖所示將按鈕和LED連至Mojo開發(fā)板：

圖3：Mojo開 發(fā)板連接一個(gè)LED和兩個(gè)按鈕的接線圖（通過Fritzing創(chuàng)建；Mojo Fritzing文件由Michael Earls制作）

我們現(xiàn)在可以對(duì)Mojo進(jìn)行編程。啟動(dòng)ISE并打開您下載的基礎(chǔ)項(xiàng)目。屏幕應(yīng)該如下所示：

在窗口左側(cè)，您應(yīng)該看到一個(gè)含有不同文件的層次結(jié)構(gòu)。雙擊文件mojo_top.v。該文件中的Verilog代碼應(yīng)該在屏幕右側(cè)彈出。

現(xiàn)在，我們簡單介紹一下Verilog語言及其文件結(jié)構(gòu)。首先需要注意的是，Verilog不是傳統(tǒng)意義上的編程語言。如前所述，F(xiàn)PGA的內(nèi)部硬件是可配置的。而Verilog語言則是設(shè)計(jì)人員和FPGA實(shí)現(xiàn)軟件（本文為ISE Design Suite）之間的接口。更具體地說，實(shí)現(xiàn)軟件讀取Verilog代碼并通過內(nèi)部算法將其轉(zhuǎn)換成一系列邏輯門，從而實(shí)現(xiàn)代碼指定的功能。因此，Verilog被稱為硬件描述語言，簡稱HDL。

Verilog代碼分為相互作用的多個(gè)不同模塊——這些模塊類似于其他編程語言的函數(shù)。這些模塊可以有多個(gè)輸入和輸出，模塊內(nèi)部的代碼會(huì)指定如何根據(jù)不同的輸入值驅(qū)動(dòng)輸出。您可能會(huì)注意到，不同模塊可以分布在多個(gè)Verilog .v文件中。Mojo基礎(chǔ)項(xiàng)目包含幾個(gè).v文件：AVR、SPI和串行功能。mojo_top.v文件是中心Verilog模塊，該模塊指定FPGA的主要行為。ISE足夠智能，能識(shí)別這是程序的中心（“主”）模塊。在屏幕左側(cè)的文件層次結(jié)構(gòu)中，您會(huì)看到mojo_top.v文件位于列表頂部。

除Verilog .v文件外，您還會(huì)看到一個(gè)擴(kuò)展名為.ucf的文件，該文件代表用戶約束文件（User Constraints File）。在這個(gè)文件中，用戶在他或她的項(xiàng)目中為輸入和輸出（I / O）連接指定名稱，并確定與這些信號(hào)相關(guān)的引腳和I/O標(biāo)準(zhǔn)。我們開始編輯這個(gè)文件。在左側(cè)瀏覽器中雙擊文件名，該文件會(huì)在右側(cè)的新選項(xiàng)卡中打開。

您會(huì)看到這個(gè)文件中已經(jīng)存在幾條指令。這些指令指定了板上連接的名稱，比如板載LED和不同通信總線的連接。向下滾動(dòng)至文件末尾，按鍵盤上的“Enter”鍵創(chuàng)建一個(gè)新行。我們要添加三條指令，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)按鈕輸入引腳和一個(gè)LED輸出引腳。 我們要做的就是按照文件中其他指令的格式編寫新指令即可！

您可以復(fù)制文件中以“NET”開頭的任何一條指令，然后在文件底部粘貼三次，修改行首引號(hào)內(nèi)的字符串以及“P”后面的數(shù)字。在本教程中，我們將使用14和21腳作為按鈕輸入，26腳作為LED輸出，因此我們應(yīng)在文件底部添加以下指令：

NET “button_a” LOC = P14 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “button_b” LOC = P21 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “l(fā)ed_external” LOC = P26 | IOSTANDARD = LVTTL;

請(qǐng)確保您選擇的引腳不與UCF文件指定的引腳沖突。

現(xiàn)在您的UCF文件應(yīng)該是這樣的：

現(xiàn)在我們已經(jīng)指定項(xiàng)目的具體信號(hào)名稱及其關(guān)聯(lián)連接，我們可以編寫代碼，將LED輸出描述為按鈕輸入信號(hào)的函數(shù)。您可能已經(jīng)猜到了，這需要修改mojo_top模塊。

模塊聲明部分的頂部是單詞“module”（模塊），然后是模塊名稱（本例中模塊名稱為mojo_top）以及模塊將要使用的輸入和輸出信號(hào)列表。我們需要將兩個(gè)按鈕信號(hào)名稱和LED信號(hào)名稱添加到該連接列表中，使得信號(hào)能夠成為輸入和輸出。要做到這一點(diǎn)，我們可以在信號(hào)列表末尾添加以下程序：

input button_a,

input button_b,

output led_external

現(xiàn)在，模塊頭應(yīng)該是這樣的：

至此，我們已經(jīng)為按鈕和外部LED聲明了信號(hào)名稱，并為這些信號(hào)分配了Mojo開發(fā)板I/O引腳，并且在Verilog中指定這些信號(hào)分別是輸入和輸出?，F(xiàn)在，我們所要做的就是定義LED點(diǎn)亮的條件！更具體地說，我們需要指定發(fā)光二極管開啟（二進(jìn)制1）和關(guān)閉（二進(jìn)制0）的情況。

回想之前的討論，我提到LED的操作行為與布爾與（AND）函數(shù)完全相同。在Verilog中，我們用符號(hào)&&表示布爾與（AND）運(yùn)算。我們想要將按鈕輸入的與函數(shù)結(jié)果分配給LED。實(shí)現(xiàn)此功能的Verilog代碼如下：

assign led_external = button_a && button_b;

將這行指令添加到模塊末尾就可以實(shí)現(xiàn)我們所需的行為。打開基礎(chǔ)項(xiàng)目時(shí)，我們會(huì)看到這行程序上方本來就存在許多程序行，這些程序設(shè)置了其他不同信號(hào)，比如板上SPI和板載LED信號(hào)，在本項(xiàng)目中我們不會(huì)使用這些信號(hào)。

現(xiàn)在，完整模塊應(yīng)該是這樣的：

要對(duì)FPGA進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)我們指定的行為，我們必須生成一個(gè)編程文件，其格式為.bin文件。發(fā)出命令之后，ISE會(huì)綜合我們的設(shè)計(jì)（檢查錯(cuò)誤并運(yùn)行測試），然后實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)（定義實(shí)現(xiàn)指定行為所需的內(nèi)部門結(jié)構(gòu)），并生成這個(gè)編程文件。要運(yùn)行此過程，請(qǐng)雙擊左下窗口中的“Generate Programming File”（生成編程文件）按鈕。

在編程文件生成的過程中，ISE會(huì)發(fā)出幾條丟失網(wǎng)絡(luò)和/或未路由網(wǎng)絡(luò)的警告。這些警告對(duì)于此實(shí)現(xiàn)并不重要，不會(huì)影響我們對(duì)FPGA的編程。我們沒有使用UCF中指定的所有信號(hào)，所以ISE才會(huì)發(fā)出這些警告。

編程文件生成完成后，ISE會(huì)在我們剛才雙擊的按鈕旁邊添加一個(gè)綠色對(duì)號(hào)。

現(xiàn)在，我們所要做的就是將編程文件上傳到Mojo開發(fā)板上。首先，請(qǐng)確保按上圖所示將按鈕和LED連至Mojo的引腳。

其次，打開Mojo Loader軟件并選擇與Mojo相對(duì)應(yīng)的USB端口。然后，選擇ISE生成的.bin文件。您必須導(dǎo)航至項(xiàng)目目錄下的/syn/文件夾。在Mojo Loader內(nèi)打開.bin文件后，請(qǐng)點(diǎn)擊窗口右下方的“Load”（加載）按鈕。編程文件就開始向Mojo開發(fā)板上傳。

該過程完成后，您就可以測試您的設(shè)計(jì)了！只有按下兩個(gè)按鈕時(shí)，LED燈才會(huì)點(diǎn)亮。恭喜，您已經(jīng)完成了您的第一個(gè)FPGA項(xiàng)目！我們還為您準(zhǔn)備了一個(gè)更復(fù)雜的硬件PWM項(xiàng)目，敬請(qǐng)查看本教程的第2部分！

審核編輯：湯梓紅