設(shè)計(jì)FPGA的過程舉例

數(shù)字電路經(jīng)過半個世紀(jì)，從分立元件到小規(guī)模集成電路、中等規(guī)模集成電路、大規(guī)模、超大規(guī)模，集成度越來越高，運(yùn)算能力越來越強(qiáng)，功耗越來越低，人類已經(jīng)將數(shù)字集成電路發(fā)展到接近摩爾定律極限。

FPGA是這樣一類數(shù)字電路，它可以反復(fù)修改自身邏輯功能，具有靈活多變的特性，設(shè)計(jì)FPGA的過程其實(shí)是遵循數(shù)字電路設(shè)計(jì)的一般流程的：

（1）需求分析

（2）抽象邏輯表示（真值表、狀態(tài)流圖）

（3）具體邏輯表示（HDL、布爾方程）

（4）將邏輯表示綜合為可實(shí)現(xiàn)的電路（門電路、LUT和觸發(fā)器）

（5）驗(yàn)證

FPGA邏輯工程師一般是從應(yīng)用需求出發(fā)，用Verilog或VHDL來描述算法，并通過綜合實(shí)現(xiàn)工具、仿真工具、調(diào)試工具來協(xié)助完成設(shè)計(jì)。

針對Xilinx器件，開發(fā)工具為ISE（Project Navigator，ISim，iMact，Chipscope），有時需要用Modelsim工具完成HDL仿真。

Zynq內(nèi)部包含PL，資源前面已經(jīng)說過了，大量LUT，F(xiàn)F，DSP48E1等著你來組織，開發(fā)PL可以完全脫離PS，采用傳統(tǒng)開發(fā)工具ISE完成。

下面給出只利用PL實(shí)現(xiàn)流水燈的例子，希望能有拋磚引玉的功效。

上一節(jié)介紹了使用ARM控制流水燈的例子，這里完成同樣的功能，但用PL實(shí)現(xiàn)控制，將PS冷落一旁，不用理它。

首先運(yùn)行ISE Design Suite 14.5，打開Project Navigator軟件。

File-》New Project，新建一個工程，彈出對話框如下：

按照上圖進(jìn)行工程設(shè)置，然后點(diǎn)Next

設(shè)置器件為XC7Z020，即我們Zedboard上的主芯片型號。封裝為CLG484，速度級別為-1，語言選擇VHDL。點(diǎn)Next，F(xiàn)inish。

我們分析一下怎樣完成這個設(shè)計(jì)。數(shù)字電路都需要有時鐘源，我們的PL也不例外，板子上有專為PL提供時鐘輸入的晶振，在原理圖中找到：

可見晶振輸入為100MHz，直接送入Y9引腳（位于PL部分）。如此高的時鐘速率，需要經(jīng)過分頻，LED閃爍速率最好低于10Hz，這樣人眼才能分辨出來。

用ISE提供的IP核可以實(shí)現(xiàn)分頻，在工程中Add Source：

選擇IP（Core Generator），輸入名稱為clk_module，如上圖，點(diǎn)Next。

從“FPGA Features and Design”中“Clocking“下找到Clocking Wizard，點(diǎn)Next，F(xiàn)inish。進(jìn)入配置IP的環(huán)節(jié)。

第一步，默認(rèn)設(shè)置，Next。。。

第二步，將CLK_OUT1輸出頻率設(shè)置為5MHz（貌似不能再小了），其他不改，點(diǎn)Next。

第三步里把復(fù)位和鎖定引腳去掉，如下圖所示，后面都一路Next到結(jié)束。

這樣生成了第一個分頻器，輸入為100MHz，輸出為5MHz，需要進(jìn)一步分頻。

再New Source一下，選VHDL模塊，命名為myled.vhd，輸入代碼如下：

----------------------------------------------------------------------------------

-- Company：

-- Engineer：

--

-- Create Date： 20:59:03 08/16/2013

-- Design Name：

-- Module Name： myled - Behavioral

-- Project Name：

-- Target Devices：

-- Tool versions：

-- Description：

--

-- Dependencies：

--

-- Revision：

-- Revision 0.01 - File Created

-- Additional Comments：

--

----------------------------------------------------------------------------------

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if using

-- arithmetic functions with Signed or Unsigned values

--use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if instantiating

-- any Xilinx primitives in this code.

--library UNISIM;

--use UNISIM.VComponents.all;

entity myled is

Port （ clk ： in STD_LOGIC;

rst ： in STD_LOGIC;

led ： out STD_LOGIC_VECTOR（7 downto 0））;

end myled;

architecture Behavioral of myled is

signal clk_5M ： STD_LOGIC;

signal localbuffer ：STD_LOGIC_VECTOR（7 downto 0）;

component clk_module

port

（-- Clock in ports

CLK_IN1 ： in std_logic;

-- Clock out ports

CLK_OUT1 ： out std_logic

）;

end component;

begin

myclk ： clk_module

port map

（-- Clock in ports

CLK_IN1 =》 clk，

-- Clock out ports

CLK_OUT1 =》 clk_5M）;

process（clk_5M，rst）

variable cnt ： integer ：= 0;

begin

led 《= localbuffer;

if（rst = ‘1’） then

localbuffer 《= X”01“;

elsif（clk_5M‘EVENT and clk_5M = ’1‘）

then

cnt ：= cnt + 1;

if （cnt = 5000000）

then

localbuffer 《= localbuffer（6 downto 0）&localbuffer（7）;

cnt ：= 0;

end if;

end if;

end process;

end Behavioral;

這里使用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了分頻，輸出為1Hz。

Add Source，選UCF，命名myled.ucf，內(nèi)容如下：

##

## This is an updated UCF file from the original version by Digilink.

## The CS signal has been removed and all the other signals are mapped to

## proper pin on the Zynq FPGA.

## For the reset， the middle-push button is used.

## Modified by Farhad Abdolian （fabdolian@seemaconsulting.com） Nov. 5， 2012

##

Net ”clk“ LOC=Y9 | IOSTANDARD=LVCMOS33;

Net ”clk“ TNM_NET = sys_clk_pin;

TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 100000 kHz;

NET ”led［0］“ LOC = T22;

NET ”led［1］“ LOC = T21;

NET ”led［2］“ LOC = U22;

NET ”led［3］“ LOC = U21;

NET ”led［4］“ LOC = V22;

NET ”led［5］“ LOC = W22;

NET ”led［6］“ LOC = U19;

NET ”led［7］“ LOC = U14;

NET ”led［7］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［6］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［5］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［4］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［3］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［2］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［1］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET ”led［0］“ IOSTANDARD = LVCMOS33;

#We use the center push button as the reset for this project

Net ”rst“ LOC = P16 | IOSTANDARD = LVCMOS33;

源文件都已經(jīng)OK，接下來進(jìn)行綜合、實(shí)現(xiàn)、生成bit、iMPACT下載即可（按照標(biāo)準(zhǔn)FPGA開發(fā)流程），效果與前面的實(shí)驗(yàn)相同，略去不表。這里由于邏輯比較簡單，省去了功能仿真、時序仿真等流程。真正的邏輯開發(fā)最好經(jīng)過仿真后再下載到硬件中。

從上面這個例子發(fā)現(xiàn)，不考慮ARM時，PL部分開發(fā)與普通的FPGA開發(fā)并沒有任何區(qū)別。

恰恰是由于ARM的存在，我們的PL可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的功能！

1. DDR控制。采用邏輯來實(shí)現(xiàn)DDR2存儲器訪問非常復(fù)雜，調(diào)試也非常耗費(fèi)時間。ARM核的存在，使得PL可以借助ARM來做DDR2控制器，訪問時只需遵循PS與PL之間的通信協(xié)議——AXI就可以了。

2. 操作系統(tǒng)。同樣，F(xiàn)PGA上運(yùn)行操作系統(tǒng)是一件費(fèi)力不討好的事情，浪費(fèi)大量邏輯資源，如果用軟核實(shí)現(xiàn)CPU，性能又不高。如果有ARM硬核負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的日常維護(hù)，必要時FPGA仍然通過AXI總線與ARM上的操作系統(tǒng)進(jìn)行交互。

3. 網(wǎng)絡(luò)。

4. USB通信

從傳統(tǒng)FPGA開發(fā)到Zynq上PL開發(fā)需要改變一個觀念：邏輯可以實(shí)現(xiàn)一切。嵌入硬核恰恰說明一點(diǎn)：有些事還是別讓邏輯來做！