如何使用FPGA开发

介绍

与传统的微控制器相比，FPGA(现场可编程门阵列)是独一无二的，因为它们不执行顺序指令。相反，它们由一组可配置的逻辑块组成，这些逻辑块可以被重新编程以执行自定义的数字逻辑功能。这使得FPGA可以并行执行多个操作，使其在信号处理、数据处理和实时控制等特定任务中非常高效。

为了定义FPGA的功能，我们使用硬件描述语言(HDL)，它指定了逻辑元素应该如何配置和互连。在这个项目中，我将使用SystemVerilog，这是Verilog的高级版本，它引入了额外的特性，如增强的类型安全、断言和面向对象编程功能，使其更适合FPGA设计。

对于硬件，我使用的是Arty S7-25，这是一个基于Xilinx Spartan-7 FPGA的开发板。它在尺寸、性能和可负担性之间提供了一个很好的平衡，使其成为初学者的绝佳选择。该板具有双Arduino头，便于原型设计，以及PMOD头，允许扩展额外的外设。当我使用这个特定的板时，如果您遵循这个项目，任何来自Spartan-7家族或更高版本的Xilinx FPGA都应该兼容。

XADC (Xilinx模数转换器)

XADC是Xilinx FPGA中的集成模数转换器(ADC)，使其能够处理模拟信号和数字逻辑。该功能对于电压监测、传感器数据采集和实时模拟信号处理等应用特别有用。通过将ADC直接集成到FPGA中，减少了对外部ADC组件的需求，简化了硬件设计并提高了系统集成度。

XADC的主要特性：

•双12位adc能够以高达1 MSPS(每秒百万采样)的速度采样，允许高速数据采集。

•支持多达16个外部模拟输入通道(根据FPGA封装不同而不同)，支持多个传感器或信号连接。

•用于FPGA温度监测和电源电压跟踪的片上传感器，有助于系统可靠性和热管理。

•灵活的接口选项：支持AXI Lite，动态重新配置端口(DRP)或直接寄存器控制，允许与不同的FPGA设计集成。

•支持单极(0V至1V)和双极(-0.5V至0.5V)输入模式，适应各种模拟信号范围。

•可配置报警阈值，使自动警报电压或温度异常。

XADC通过弥合模拟和数字域之间的差距，增强了FPGA的多功能性，使其成为需要在基于FPGA的系统中进行实时模拟信号处理的应用的理想选择。

Vivado：赛灵思的FPGA设计软件

Vivado是Xilinx的综合FPGA设计套件，用于设计、模拟、合成和编程基于FPGA的系统。它为HDL开发提供了一个完整的工具链，包括逻辑分析仪、IP集成器和调试工具，使其成为FPGA开发必不可少的工具。无论您是实现简单的逻辑电路还是复杂的数字系统，Vivado都可以通过其高级合成(HLS)，基于块的设计方法和硬件调试工具简化设计流程。

下载安装程序

访问AMD/Xilinx官方网站并导航到下载部分。

下载最新版本的统一安装程序，选择与您的操作系统(Windows或Linux)兼容的版本。

注意：您需要登录或创建一个免费的AMD/Xilinx帐户才能访问下载。

安装过程

运行安装程序并按照屏幕上的说明操作。

在安装过程中，您可以选择完全安装或自定义安装，这取决于您是否需要额外的工具，如Vitis(用于嵌入式开发)或仅用于FPGA设计的Vivado。

准备好大量下载(几gb)，因此建议使用稳定且快速的互联网连接。

创建第一个项目

一旦安装了Vivado，下一步就是在AMD Vivado设计套件中创建一个新项目。本项目将作为工作空间，您将在其中编写，模拟和合成您的FPGA设计。

步骤1：创建项目

打开Vivado并从欢迎屏幕中选择Create New Project。

选择一个项目名称(例如，DisplayXADC)并选择一个方便的位置来保存项目文件。

单击Next继续。

步骤2：选择项目类型

当提示项目类型时，选择RTL项目(注册-传输级别)，因为这允许您使用SystemVerilog编写设计。

启用“此时不指定源”复选框，除非您已经准备好了源文件。

单击Next继续。

步骤3：创建源文件和约束文件

进入项目后，创建一个新的源文件：选择create file→选择SystemVerilog作为文件类型。将其命名为任何您喜欢的名称(例如，xadc_display.sv)。

创建空约束文件：选择“创建文件”→确保文件类型为XDC (Xilinx Design Constraints)。将其命名为您喜欢的任何名称(例如，constraints.xdc)。稍后将使用该文件定义引脚映射、时钟约束和定时设置。

步骤4：选择FPGA板

将出现一个对话框，提示您在零件和电路板之间进行选择。

选择Boards选项卡并键入您的FPGA板型号(例如，Arty S7-25)。如果没有显示您的单板，请单击“刷新”或确保安装了单板文件。

单击Next，然后单击Finish以完成设置。

配置XADC

要在FPGA设计中使用XADC (Xilinx模数转换器)，需要在Vivado中添加和配置XADC IP核。按照以下步骤正确设置：

步骤1：添加XADC IP核

在Vivado的左侧，找到并单击IP Catalog。

在搜索栏中，输入“XADC”。

选择“XADC向导”，然后双击打开其配置设置。

步骤2：自定义XADC IP

将出现一个对话框，允许您配置XADC核心。

选择接口类型：配置接口模式为DRP (Dynamic Reconfiguration Port)。这允许通过寄存器实时访问ADC转换。

选择转换模式：在模式选择下，选择“单通道”，设置为“连续模式”。这确保了ADC连续采样单个模拟输入，而不是通过多个通道循环。

禁用告警(本项目不需要)：导航到“告警”页签。禁用所有警报，因为此应用程序不需要它们。这些告警通常用于监控电源电平和FPGA温度。

选择模拟输入引脚：在单通道选项卡下，找到外部模拟输入部分。为A0引脚(或FPGA上相应的ADC引脚)选择VAUXP0/VAUXN0。确切的引脚映射可能因FPGA板而异，因此请检查约束文件(.xdc)以验证正确的引脚。

步骤3：生成XADC IP核

保留所有其他设置为默认值，除非您的应用程序需要进一步定制。

单击OK关闭自定义窗口。

在下一个对话框中，选择“生成输出产品”，然后单击“生成”。

此时，将生成XADC IP核并准备将其集成到您的设计中。该模块将允许您的FPGA与模拟信号接口，例如从电位器或其他传感器读取电压电平。

代码

ConstrainFile

约束文件(.xdc)在FPGA设计中至关重要，因为它定义了项目的I/O引脚映射、时钟约束和时序要求。该文件告诉FPGA使用哪个物理引脚进行输入和输出，确保您的设计与外部硬件(如按钮，led，传感器或通信接口)正确交互。

每个FPGA板都有一个唯一的约束文件，因为不同的板有不同的引脚分配和硬件配置。

七段模块

该子模块设计用于一次控制单个七段LED显示屏。它需要一个输入时钟信号来同步显示更新和一个输入数字(十六进制0-F)。

高层模块

主模块被指定为源文件层次结构中的“顶层”模块。这个顶层模块作为设计的入口，类似于C语言编程中的主要功能。通过用清晰的层次结构构建设计，顶层模块确保所有组件有效地协同工作，使调试和扩展系统更容易。

顶层模块的角色

•它充当集成和连接设计中所有其他子模块的最高级模块。

•它定义了与FPGA外部引脚接口的I/O端口。

•它实例化其他模块的实例，在它们之间传递信号以确保正确的通信。

初始化模块实例

在顶部模块中，您将创建项目中定义的其他模块的实例。这些实例的行为类似于软件编程中的函数调用，但它们不是按顺序执行，而是并行操作。

我们首先定义它的输入和输出端口，这决定了FPGA如何与外部硬件组件交互。

时钟输入(用于同步)

模拟输入(用于从XADC读取数据)

输出控制七段显示

实例化XADC模块

接下来，我们实例化XADC模块，该模块连续采样模拟输入信号并将其转换为16位数字值。然后对这些数据进行处理，以提取相关信息进行显示。

实例化七段显示模块

由于我们正在使用两个七段显示，因此我们创建了sevenSegment模块的两个实例。这些实例接收处理过的数据并驱动相应的显示段。

数据处理和路由

来自XADC的原始数据是16位宽，但是一个7段的显示器通常一次只显示一个数字。

为了显示有意义的值，我们对16位数据进行切片，只提取高阶位，它们代表ADC转换结果的最高有效数字。

切片后的数据被发送到七段模块，在那里被转换成二进制编码格式(BCD)显示。

构建和编程

一旦编码阶段完成，我们就进入构建和编程过程，在此过程中，设计被合成、实现并转移到FPGA硬件。

步骤1：生成比特流

•在Vivado中，找到左侧面板中的“构建和调试”部分。

•点击“生成比特流”来启动这个过程。

•如果出现提示，单击“Yes”继续。

该过程包括三个主要步骤：综合：将SystemVerilog代码转换为门级表示。实现：将逻辑映射到FPGA的物理资源上。比特流生成：创建将加载到FPGA上的最终二进制文件。

此过程可能需要一些时间，具体取决于设计的复杂性和系统的性能。

步骤2：连接FPGA板

•一旦比特流成功生成，转到“打开硬件管理器”。

•现在，使用微型USB电缆将FPGA板连接到计算机。确保单板已上电。

•在硬件管理器中，点击“自动连接”。这将扫描连接的FPGA设备。将出现检测到的硬件设备列表。

步骤3:FPGA编程

•在列表中找到您的FPGA设备。

•右键单击设备，选择“程序设备”。

•将出现一个对话框，确认要使用的比特流文件(.bit)。

•点击“Program”将设计加载到FPGA上。

该程序在FPGA中是临时的，一旦电源被切断，它就会回到工厂或以前烧毁的程序。如果您想将程序刻录到FPGA中，则选择“程序eFUSE寄存器”，这将刻录程序，并且在电源周期后不会丢失。

布线

在这个项目中，我使用IO0到IO13引脚连接两个七段LED显示屏。这些引脚被分配来控制单个LED段。

连接七段显示器

•根据您的设计将7段LED段连接到IO0-IO13。

•应相应地连接公共地(用于公共阴极显示器)或公共电源(VCC)(用于公共阳极显示器)。

•确保显示模块的地与FPGA的地相连，完成电路。

自定义Pin分配

•可以根据项目需要更改这些pin分配。

•如果修改了pin分配，则必须相应地更新约束文件(.xdc)以反映新的连接。

•验证七段显示器与FPGA的I/O电压水平的电压兼容性(例如，3.3V逻辑用于Arty S7-25)。

连接XADC电位器

•您可以使用任何通用的10K电位器作为模拟输入设备。

•连接方式：一端接VCC (3.3V)。另一端到GND。中间(雨刷)引脚到XADC输入引脚(VAUXP0/VAUXN0，如约束文件中定义)。

本文编译自hackster.io