FPGA开发流程初识

news2025/5/17 15:36:15

FPGA 的开发流程可知，在 FPGA 开发的过程中会产生很多不同功能的文件，为了方便随时查找到对应文件，所以在开始开发设计之前，我们第一个需要考虑的问题是工程内部各种文件的管理。如果不进行文件分类，而是将所有文件存放在一起，非常不易于后期文件的查找、管理和移植。下面我们就开始讲解我们所有工程文件的统一管理模式。、

文件夹名	功能说明
`doc`	存放项目开发过程中的辅助文档，如波形图、流程图、设计说明等
`prj`	存放项目工程文件，如 Quartus/Vivado 工程文件、约束文件（XDC/SDC）、顶层配置等
`rtl`	存放 RTL（Register Transfer Level）级代码，如 Verilog/VHDL 源码模块
`sim`	存放仿真文件，包括测试平台 testbench、仿真脚本等

接下来我们只讲一篇简单的流程应用作为举例。

“点亮 LED”实验是使用的XC7A100TFGG484-2I、XC7A35TFGG484-2I、XC7A200TFBG484-2I的KEY0 按键来控制 LED0 灯亮灭。按键没有被按下时，LED0 灯保持常灭；当按键 KEY0 被按下时， LED0 灯被点亮；当按键 KEY0 被松开时， LED0 灯被被熄灭。

发光二极管的原理图，LED0 到 LED3 这 4 个发光二极管的阴极分别连到 S8050 （ NPN三极管）的集电极上，阳极都与 3.3V 电压相连，三极管的基极分别与 FPGA 相连，这是由于 FPGA 的 IO口的电压只有 1.3 5V ，电压较低，所以此处连接三极管是为了起到放大电压的作用。这样就可以通过改变三极管的状态来控制 LED 的亮灭。当 FPGA 输出到为高电平时，三极管导通， LED 灯亮；当 FPGA 输出到为低电平时，三极管截止，LED 灯灭。原理图中 LED 与三极管之间的电阻起到限流作用。

更多的硬件内容在我的硬件篇当中，不懂的话可以去看看。

因此我们可以产生这样的一个波形就能解决问题，FPGA更像是一切问题回归到波形。

因此我们的程序写的也非常的简单。

module led( 
 input key, 
 output led 
);

 assign led = ~key; 
 endmodule

之后我们就进行仿真就行，也是非常的简单，就是要针对上述的代码写个应用实例，非常像LINUX中的内核跟用户，如果你之前只会LINUX系列的主控的话，就这样去理解就好了。如下所示代码。

 `timescale 1ns / 1ns //仿真单位/仿真精度

module tb_led(); 
 reg key;
 wire led;

initial begin
 key <= 1'b1; //按键上电默认高电平
 #200 //延迟 200ns
 key <= 1'b1; //按键没有被按下
 #1000 
 key <= 1'b0; //按键被按下
 #600 
 key <= 1'b1; 
 #1000 
 key <= 1'b0;
end

led u_led(
 .key (key),
 .led (led)
);
endmodule

接着我们通过Modelsim 软件来进行仿真。

最后回到我们的软件芯片平台，还是上述那个代码。

module led(
input key,
output led
);

assign led = ~key;
endmodule

将文件工程加入进去即可。

因此，你要针对代码区增加你的硬件描述。

注意， Vivado 的约束文件是以“ .xdc ”为后缀的文本文件，其中存储的是一条条的 xdc 约束命令。

我们双击打开 led.xdc 文件，开始对工程进行约束。约束一般分为两种，一种是 IO 管脚的约束，另外

一种是对时序进行约束。我们先来看下 IO 管脚的约束，约束语句如下：

#IO 管脚约束

set_Property -dict {PACKAGE_PIN T4 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports key]

set_Property -dict {PACKAGE_PIN V9 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports led]

之后就是程序固化了。

当我们调试好一个工程后我们不能每次上电都要去下载一次代码，那样显得操作太麻烦。为了能够让工程上电就能运行，所以我们还需要最后一个步骤就是生成固化文件，然后将文件固化到板载 flash 中去，这样上电后程序就能启动。这里我们向读者提供三种方法固化工程，在生成固化文件之前我们先打开我们的工程时序约束文件，在时序约束文件里添加这样一段原语：

程序固化 = 把 bitstream 文件烧进外部 Flash，让 FPGA 上电即加载，永久保存配置。

FPGA 芯片本身是SRAM 架构，上电后内容全丢，每次必须加载配置文件（bitstream）才能工作。

在开发阶段，我们使用 JTAG 下载临时运行（掉电就没了）；

在产品部署阶段，就需要将 bitstream 固化进外部 Flash，上电自动加载。

FPGA → 配置时钟 CCLK
FPGA → 配置数据 DIN/D0
FPGA ← 状态监测 DONE/INIT_B

因此我们添加如下代码

set_Property CFGBVS VCCO [current_design]

配置引脚电压参考源为 VCCO

set_Property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]

设置 FPGA 配置电压为 3.3V

set_Property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS true [current_design]

启用 bitstream 压缩