教你學(xué)Vivado—以2選1多路選擇器為例

設(shè)計(jì)任務(wù)

在EGO1開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)2選1多路選擇器。

設(shè)計(jì)分析

（1）設(shè)計(jì)電路邏輯關(guān)系如下圖，明確輸入、輸出信號(hào)。

▲ 2選1多路選擇器

（2）確定信號(hào)與FPGA引腳關(guān)系。（將在第6步添加設(shè)計(jì)約束中用到）

根據(jù)絲印標(biāo)識(shí)可知如下對(duì)應(yīng)關(guān)系。（可參考硬件原理圖或EGO1用戶手冊(cè)）

a→P4 //SW6

b→P5 //SW7

sel→R1 //SW0

out→F6 //LD2-7

設(shè)計(jì)流程

1. 創(chuàng)建FPGA設(shè)計(jì)工程

（1）雙擊桌面圖標(biāo)啟動(dòng)vivado。

（2）創(chuàng)建一個(gè)FPGA工程。

（3）進(jìn)入新建工程向?qū)А?/p>

（4）填寫工程名稱和路徑，選擇“Create project subdirectory”。

(5）選擇創(chuàng)建“RTL Project”。勾選復(fù)選框“Do not specify sources at this time”(不在當(dāng)前階段創(chuàng)建源程序)。

（6）選擇設(shè)計(jì)所用的具體FPGA型號(hào)，可以根據(jù)器件系列，封裝，速度等級(jí)以及溫度級(jí)別進(jìn)行篩選，也可以直接填入器件型號(hào)進(jìn)行搜索。EGO1開發(fā)板所用芯片為Xilinx公司的 xc7a35tcsg324-1 ，屬于Artix-7系列，封裝為csg324，速度等級(jí)為-1。

（7）工程信息概覽，單擊“Finish”，完成工程創(chuàng)建。

2. 添加源文件

(1)有四種方式可以打開源程序添加窗口。

可以創(chuàng)建約束文件，設(shè)計(jì)源文件和仿真文件。這里選擇創(chuàng)建設(shè)計(jì)源文件Add or create design sources。

（2）選擇“Create File”，彈出對(duì)話框中輸入文件名“mux2_1”。

(3)模塊端口定義，可以添加模塊的端口信號(hào)。也可以選擇不添加，待后續(xù)直接在源程序界面輸入程序。

設(shè)計(jì)主界面中sources窗口下出現(xiàn)了如下圖所示的mux2_1.v源程序文件，雙擊打開文件，添加代碼。

（4）添加Verilog HDL描述。對(duì)同一個(gè)電路可以有多種描述方式，以下給大家提供了2類主要功能定義的方法，4種不同的語(yǔ)句描述。請(qǐng)選擇1種添加到源程序中。

（5）編輯完成后，保存源文件。

3. RTL分析

用Verilog語(yǔ)言描述電路的時(shí)候，可能出現(xiàn)語(yǔ)法或邏輯上的錯(cuò)誤。一般語(yǔ)法錯(cuò)誤在編寫程序的過(guò)程中，vivado會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并在程序界面中有所提示，在Messages中也會(huì)提示“Error”。對(duì)于邏輯錯(cuò)誤軟件是不會(huì)提示的，最多在Messages中的“Warning”提示中找到一些蛛絲馬跡。而設(shè)計(jì)者可以利用RTL分析進(jìn)行邏輯和功能檢查。

（1）點(diǎn)擊左側(cè)流程向?qū)冢‵low Navigator）中的“Open Elaborated Design”，彈出提示框，點(diǎn)“OK”。

（2）RTL原理圖查看。下圖即打開的RTL原理圖。該原理圖是根據(jù)HDL描述生成的，可以根據(jù)原理圖檢查設(shè)計(jì)是否符合要求。

4.行為仿真

檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足功能要求。如果直接在FPGA芯片上測(cè)試，可能因?yàn)槎啻尉C合、實(shí)現(xiàn)而浪費(fèi)時(shí)間。

（1）創(chuàng)建仿真文件sim_mux2_1.v。添加方法與添加源程序方法相同，但選擇的是Add or Create Simulation Sources選項(xiàng)。

（2）按下圖操作，直接點(diǎn)擊“OK”→“Yes”，不添加端口定義。

（3）sources窗口中雙擊打開仿真文件sim_mux2_1.v，輸入代碼。這里提供兩種測(cè)試代碼供大家參考比較。

參考代碼a：

參考代碼b：

（4）保存。保存文件后，sim_mux2_1.v自動(dòng)變成頂層文件（品字形圖標(biāo)標(biāo)識(shí)），否則，右鍵選擇“Set as Top”。mux2_1.v為下層模塊，模塊名為uut。

（5）運(yùn)行仿真。單擊左側(cè)Flow Navigator中Run Simulation，選擇Run Behavioral Simulation。

（6）觀察仿真波形。

代碼a仿真結(jié)果：

代碼b仿真結(jié)果：

5.設(shè)計(jì)綜合

綜合： 將較高層次邏輯設(shè)計(jì)代碼或原理圖等設(shè)計(jì)輸入轉(zhuǎn)化為較低層次的由FPGA芯片中底層基本單元表示的電路網(wǎng)表。

（1）單擊左側(cè)Flow Navigator中的Run Synthesis。

綜合運(yùn)行時(shí)，在軟件右上角會(huì)顯示當(dāng)前狀態(tài)，如下圖所示。

（2）運(yùn)行完畢，彈出對(duì)話框，選擇Open Synthesized Design，會(huì)自動(dòng)打開Device窗口，顯示的是芯片內(nèi)部構(gòu)架。

▲ Artix-7 FPGA器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（3）打開Schematic，可以看到綜合后的原理圖，采用的是FPGA中基本單元搭建的，如本實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)LUT3查找表。

（4）在Sources窗口下方Cell Properties窗口中，選擇Truth Table，可以看到邏輯表達(dá)式和真值表。

（5）單擊Report Utilization，可以查看當(dāng)前設(shè)計(jì)的資源利用率的詳細(xì)報(bào)告。

可以看到本設(shè)計(jì)使用了 1個(gè)LUT ，總共20800個(gè)，利用率小于0.01%； 4個(gè)I/O ，總共120個(gè)，利用率為1.90%。

6.添加設(shè)計(jì)約束

（1）在Window下拉菜單中選擇I/O Ports。

（2）按照下圖修改電壓標(biāo)準(zhǔn)，添加端口對(duì)應(yīng)的FPGA引腳編號(hào)。

（3）保存。Sources視圖中可以看到Constraints目錄下生成的mux2_1.xdc文件。打開可以看到自動(dòng)生成的約束代碼，如下圖所示：

（4）在Window下拉菜單中選擇Package，可以打開I/O規(guī)劃視圖，如下圖所示。可以看到設(shè)計(jì)所占用的FPGA引腳分布（圖中用紅色圓圈標(biāo)識(shí)）。

添加約束的快捷方式：新建空白約束文件，打開EGO1官方提供的約束文件“EGo1.xdc”，選擇相應(yīng)的約束語(yǔ)句，直接拷貝，并修改端口名稱即可。

7.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)： 將綜合后的電路網(wǎng)表針對(duì)具體指定器件以及相關(guān)物理與性能約束進(jìn)行優(yōu)化、布局、布線并生成最終可以下載到FPGA芯片內(nèi)的配置文件的過(guò)程。

（1）單擊左側(cè)Flow Navigator中的Run Implementation。

（2）實(shí)現(xiàn)過(guò)程結(jié)束后彈出對(duì)話框，可以選擇Open Implemented Design，也可以選擇Generate Bitstream（生成配置FPGA的比特流文件）。這里選擇Open Implemented Design。

可以看到在器件結(jié)構(gòu)圖中設(shè)計(jì)所用到的器件，如圖中紅色圓圈標(biāo)識(shí)部分，可以放大查看。

點(diǎn)擊工具欄中布線圖標(biāo)，放大視圖，可以看到器件之間的連線（圖中綠色部分）。

8.時(shí)序仿真

時(shí)序仿真： 之前的行為仿真是功能仿真，并未涉及毛刺、競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)等時(shí)序問題。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行后器件完成了布局布線，在此階段后的仿真可得到各種時(shí)序所導(dǎo)致的延時(shí)問題。

（1）單擊Run Simulation，在浮動(dòng)菜單中單擊Run Post-Implementation Timing Simulation。

（2）仿真波形如下，調(diào)整波形，可以觀察信號(hào)延時(shí)。下圖中，輸入信號(hào)a在100ns處由0變?yōu)?，而輸出信號(hào)out在108.590ns處才發(fā)生變化，時(shí)延約8.6ns。

9.比特流文件的生成與下載

（1）實(shí)現(xiàn)結(jié)束后直接選擇Generate Bitstream，或單擊左側(cè)Flow Navigator中Generate Bitstream。

（2）將開發(fā)板與電腦連接，并確保電源開關(guān)打開。點(diǎn)擊Open target，單擊Auto Connect。

（3）點(diǎn)擊Program device，在出現(xiàn)的對(duì)話框中直接點(diǎn)擊Program，比特流文件就配置到器件中了。

10.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察

將SW0置0，撥動(dòng)SW6，則最左側(cè)LED燈隨SW6的狀態(tài)變化；將SW0置1，則LED燈隨SW7的狀態(tài)變化。