FPGA入门总结知识点

这里对于FPGA的学习-B站的FPGA入门视频做了一些总结。

https://www.bilibili.com/video/BV1J7411a7sW?p=9&spm_id_from=pageDriver&vd_source=96ad85c58bc3572b6686cdbf3a7f8cdb

总结的章节包括:

1.FPGA概述

1.1什么是FPGA

1.2FPGA的应用非常的广泛

1.3Artix-7介绍

2.FPGA基本逻辑结构

2.1.逻辑单元

2.2.如何认识CLB

2.3.如何认识IOB

3.verilog语法

3.1.verilog HDL基本内容

3.2.数据类型及变量、常量

3.3.运算符

3.4.赋值语句

3.5.结构说明语句

3.6.阻塞与非阻塞

3.7.条件语句

1.FPGA概述

1.1.什么是FPGA

FPGA，即现场可编程门阵列，它是PAL，GAL，CPLD等可编程基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。

1.2.FPGA应用非常的广泛

（1）医疗
（2）仪器
（3）通信
（4）航天

1.3.Artix-7介绍

Xilinx Artix-7系列器件以28nm高性能低功耗，尤其适合于可满足航空电子和通信等领域的尺寸，重量，功耗和成本敏感市场的需求，提供了大量的可供开发者直接使用的IP核，是市场的主流。

2.FPGA基本逻辑结构

2.1.逻辑单元

xilinx FPGA采用了阵列逻辑单元LCA（logic cell Array）概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（configurable Logic Block）,输入输出模块IOB（Input output block）和内部连线（interconnect）三个部分。

2.2.如何认识CLB

CLB是FPGA的结构核心，一个CLB包含多个slice，一个slice包含4个查找表和其他存储元件。

2.3.如何认识IOB

IOB可以和外界打交道， IO管脚可以配置多种输入输出标准。

3.verilog语法

3.1.verilog HDL基本内容

(1)HDL硬件描述语言是对硬件电路进行行为描述、寄存器传输描述或者结构化描述的一种语言。
(2)verilog HDL程序是由模块构成的。每个模块嵌套在module和endmodule声明语句中。
(3)每个verilog HDL源文件中只有一个顶层模块，其他为子模块，可以每个模块写一个文件
(4)每个模块要进行端口定义，并说明输入输出端口，然后对模块的功能进行行为逻辑描述
(5)模块中的时序逻辑部分在always块的内部，在always块中自由对寄存器变量赋值
(6)模块中对端口或其他wire型变量的赋值，必须在always块的外部使用assign语句，通常是将寄存器的值送出
(7)程序书写格式自由，一行可以写几个语句，一个语句也可以分为多行写
(8)除了endmodule语句、begin_end语句和fork_join语句外，每个语句和数据定义的最后必须有分号。
(9)可以用/…/和//…对程序的任何部分作注解，加上必要的注释，可以增强程序的可读性和可维护性。

3.2.数据类型及变量、常量

（1）verilog HDL有两种常用的数据类型，x线网(Net)类型及变量类型
（2）线网常用的就是wire类型，变量常用的就是reg类型
（3）数据类型的逻辑值有四种分别为0，1，X（未知态），Z（高阻态）
（4）数据类型及变量、常量-数的表达
（5）wire可以理解为连线，定义一个n位的wire变量：wire[n-1:0]变量名；如果多个则为：wire[n-1:0]变量1，变量2等
（6）寄存器必须在时钟的驱动下（有效边沿）才能改变其内容，代码为：always @ (posedge clk_in)
（7）如果用关键词parameter来定义一个标识符，代表一个常量，这个常量就被称为符号常量
（8）存储器的定义方式：reg[msb:lsb] memory1 [upper1:lower1]
例如：reg[3:0] mymem1 [63:0] //mymem1为64个4位寄存器的数组

3.3.运算符

（1）算术运算符

注意点：

在进行整数的除法运算时，结构要略去小数部分，只取整数部分；而进行取模运算时（%，亦称为求余运算符）
结果的符号位采用摸运算符中第一个操作数的符号
例如-10%3，结果为-1，11%-3结果为2
在进行算术运算的时候，如果摸一个操作数有不确定的值x，则整个结果也为不确定值x

（2）.逻辑运算符

注意点：

逻辑运算只区分真假，而不管是什么数值。逻辑运算的输入4’ha1和4’h01是没有区别的，都是逻辑真，而0为逻辑假。一般来说，逻辑运算的结果要么为真（1）要么为假（0）。
特例是如果有一个输入为未知X，那么结果也是X。
例如，4’ha1&&4h01是1，
	 4’ha1&&4h00是0。
只有两个输入都是0的时候，逻辑或的结果才是0。
对于逻辑非，当输入为非0值，输出就是0。
逻辑运算最常用于条件判断语句。

（3）按位运算符

注意点：

通常使用按位运算符完成基本的与，或，非，异或及同或逻辑运算。使用这些位运算进行组合，很容易完成其他的逻辑运算。
按位运算要求对两个操作数的相应位逐位进行运算
例如0101&1100=0100，0101|1100=1101

（4）关系运算符

注意点：

关于运算符和逻辑运算符一般用于条件判断语句
关系运算结果位1位的逻辑值1（真）或0（假），但也可能是x（未知）。关系运算符根据关系运算的结果是真还是加，用于条件判断。
关系运算时，若关系为真，则返回值为1，若声明的关系为假，则返回值为0；若某操作上为不定值x，则返回值也一定为x

（5）等式运算符

注意点：

“==”和“！=”称作逻辑等式运算符，其结果由两个操作数的值决定，由于操作数可能是x和z,其结果可能为x。
“===”和“！==”常用于case表达式的判别，又称为case等式运算符。其结果只能为0和1，如果操作数中存在x和z，那么操作数必须完全相同结果才为1，否则为0
“==”和“=”是完全不同的，“=”是对寄存器赋值使用的

（6）缩减运算符

（7）移位运算符

都用0填充移出的空位
（8）条件运算符
条件运算符位？，例如：assign out = sel ? in1 : in0;
（9）拼接运算符
拼接运算符位{}，例如：{a,2{a,b}}
（10）运算符的优先级

3.4.赋值语句

（1）连续赋值语句assign

用于wire型的变量赋值，是描述组合逻辑最常用的方法之一
例如：assign c = a & b
//a,b可以是wire型变量或寄存器变量，c必须是wire型变量或其他线网型变量

（2）过程赋值语句“=”和“<=”

用于对reg型变量赋值
在过程快中使用过程赋值语句

3.5.结构说明语句

（1）always语句

always块包含了一个或一个以上的语句（如：过程赋值语句，条件语句和循环语句等），在运行的过程中，在时钟控制下被反复执行。
时钟有效沿来了就执行
在always块中被赋值的只能是寄存器reg变量
always块的写法是always @ (敏感信号表达式)
例如：
always @ (clk)
always @ (posedge clk)
always @ (negedge clk)
always @ (posegde clk or negedge rst_n)
always @ (*) //该语句所在模块的任何输入信号变化了都触发

（2）initial语句
initial语句用于对寄存器变量赋予初值
例子：
initial
begin
b = 0,c = 0;
end

3.6.阻塞与非阻塞

阻塞的概念：在一个块语句中，如果多条阻塞赋值语句，在前面的赋值语句没有完成之前，后面的语句就不能被执行，就像被阻塞了一样，因此称为阻塞赋值方式
非阻塞的概念：多条非阻塞赋值在过程块额你同时完成赋值操作，多条语句相当于同时执行

阻塞的赋值方式，赋值符号为=，如b = a;
非阻塞的赋值方式，赋值符号为<=，如b <= a;

//阻塞的例子
//时钟到来之后，b和c的结果都为1，所以阻塞就是顺序执行
a = 1, b = 0,c= 0
always @ (posedge clk)
begin
	b = a;
	c = b;
end

//非阻塞的例子
//时钟到来之后，b的结果为1,c的结果为0，所以非阻塞为并行执行
a = 1, b = 0,c= 0
always @ (posedge clk)
begin
	b <= a;
	c <= b;
end

3.7.条件语句

条件语句一般用于always或者initial语句块的内部
主要包含if else语句和case语句
（1）if else语句
用于判定所给条件是否满足，根据判断的结果，真或假决定执行给出的两种操作之一，if else语句有三种模式

1.if 语句
2.if else语句
3.if else if语句 
如果语句有多条组成，必须包含在begin和end之内
三种形式的if语句后面都有表达式，一般为逻辑表达式和关系表达式，当表达式的值为1，按真处理，若为0、x、z,按假处理。
else语句不能单独使用，它是if语句的一部分

（2）case语句
case语句是一种多分支选择语句，if只有两个分支可以选择，但是case可以直接处理多个分支语句，这样程序看起来更直观简洁。

1.case(表达式)    <case分支项>  endcase
2.casex（表达式）  <case分支项>  endcase
3.casez（表达式）  <case分支项>  endcase
case语句的所有表达式的值位宽必须相等
在case语句中，分支表达式每一位的值都是确定的（或者为0，或者为1）
在casez语句中，若分支表达式某些位的值位高阻值z，则不考虑对这些位的比较
在casex语句中，若分支表达式某些拉的值位z或不定值x，则不考虑对这些位的比较

3.8.循环语句

在verilog中存在着多种循环语句，用来控制执行语句的执行次数
这些语句c语言中很常见，也是必须的
在FPGA的设计中，循环语句不一定能被综合
多用于在仿真代码生成仿真激励信号
（1）forever语句
格式：forever begin语句块end
forever常用于仿真代码中
例如：

//产生一个周期位20ns的波形
timescale 1ns/1ps //时间单位是1ns，精度位1ps
forever
begin
#10 clk = 1;
#10 clk = 0;
end
always #10 clk = ~clk

（2）循环语句repeat
repeat语句：连续执行n次的语句
格式：repeat(表达式) begin语句块end
其中"表达式"用于指定循环次数，可以是一个整数，变量或者数值表达式，如果是变量或者数值表达式，其数值自在第一次循环时得到计算，从而得到确定的循环次数
repeat 语句也常用于仿真
例如：

repeat(10)
begin
	#10 clk = 0;
	#10 clk = 1;
end
	

（3）循环语句while
while语句：执行语句，直至某个条件不满足
格式：while（表达式）begin 语句块end
在每一次执行循环体之前，都需要对这个表达式是否成立进行判断，while语句在执行时，首先判断条件执行循环执行条件表达式是否位真，如果真，执行后面的语句块，然后再重新判断循环执行条件表达式是否为真，直至条件表达式不为真为止退出循环。
在执行语句中，如果没有改变循环执行条件表达式的值的语句，循环就会称为死循环。
例如：

（4）循环语句for
for语句：三个表达式
for（表达式1；表达式2；表达式3）
例如：for(i = 0；i<=7; i++ )
如果让系统能够综合，那么循环的次数一定是固定的。
程序实例实现了统计输入的8位数据in中的1的个数，每个时钟上升沿统计一次

4.实践部分

4.1.多数表决器的工程完整步骤

第一个工程-多数表决器
组合逻辑电路：有什么样的输入，就有什么样的输出，数字电路的输出只依赖于当前输入值的组合，这样的电路称为组合逻辑电路。
题目：假设有三个举重裁判，举重选手完成比赛后，当有多数裁判判定成功，则成功，否则失败。请设计此举重裁决电路
分析：这个举重裁判电路实际上就是一个三输入的多数表决器
首先书写真值表

根据真值表可以得到最小表达式
然后填写卡诺图

得到逻辑表达式为：

这里开始使用vivado进行这个代码的编写，仿真，综合，时序的编写以及生成比特流
1.工程的建立
（1）点击create Project

（2）点击next

(3）输入工程文件的名称pro_dsbjq,然后点击next

(4)继续点击next

（5）输入FPGA的芯片型号xc7a35tfag256-1,然后点击next

（6）最后点击finish，工程新建完成

2.RTL代码的书写
（1）新建RTL代码文件，首先点击add source

2.选择add or create design source,然后点击next

（3）点击create file,然后输入file name 为：v_dsbjq,点击ok,最后点击finish，

（4）生成文件，点击OK即可
（5）文件生成了

（6）首先书写输入输出模块,然后书写判断语句

module(
input a,
input b,
input c,
output f

); 

assign f = a&b | b&c | a&c;

endmodule

（7）然后打开open elaborated Design可以看到关于代码生成的电路图

3.代码的仿真
（1）新建仿真文件

（2）输入仿真文件名sim_dsbjq

（3）书写仿真代码

module
//端口定义
	reg a,b,c;
	wire f;
//模块调用
v_dsbjq u1(
	.a  (a),
	.b  (b),
	.c  (c),
	.f  (f)
);
//赋初始值
initial begin
	a = 0;
	b = 0;
	c = 0;
end
//设置变化周期
always #10 {a,b,c} = {a,b,c}+1;

endmodule

（4）保存文件，运行功能前仿真
（5）波形分析是否正确

4.时序的书写
（1）新建时序文件

（2）文件命名

（3）时序文件书写

set_property PACKET_PIN F3 [get_ports a]
set_property IOSTANDARD LVCOMS33 [get_ports a]
set_property PACKET_PIN H3 [get_ports b]
set_property IOSTANDARD LVCOMS33 [get_ports b]
set_property PACKET_PIN N3 [get_ports c]
set_property IOSTANDARD LVCOMS33 [get_ports c]

set_property PACKET_PIN E3 [get_ports f]
set_property IOSTANDARD LVCOMS33 [get_ports f]

(4)综合synthesis


5.生成比特流文件
比特流的生成有两种模式
第一种bit文件用于调试，
第二种bin文件用于最终下载到实验板的flash芯片，每次上电后会对根据Flash中的内容对FPGA中的内容对FPGA进行配置。

（1）生成比特流

（2）连上实验板子之后 open target

（3） 点击program device

（4）上板验证
略
这中方式只是调试，断电之后就会消失

（5）第二种写入FLASH的方法，首先点击add Configuration memory device

（6）然后输入25q32,选择3.3V

（7）在configuration file中加入bin文件，最后点击ok，就写入了flash，掉电程序不会消失

4.2 38译码器以及生成IP核

1.38译码器
译码器74*138是数字电路课程中重点的内容之一。使用verilog语言实现译码器就比较简单。
在完成设计并下载到电路板后，学习将工程转化为可以被其他工程调用的IP核。

（1）新建p_74x138工程
（2）添加设计文件
（3）书写设计代码
模块定义，模块输入输出声明，变量定义，always块，如果有输入输出变化，
执行，如果使能有效，根据输入端的值进行译码，如果使能无效，always块结束，模块结束

module v74x138(g1,g2a_l,g2b_l,a,y_l);
input g1,g2a_l,g2b_l;
input[2:0] a;
output [7:0]y_l;
reg [7:0] y_l=0;
always @(g1 or g2a_l or g2b_l or a)
begin
if(g1 && ~g2a_l &&~g2b_l)
case(a)
	7:y_l = 8'b01111111;
	6:y_l = 8'b10111111;
	5:y_l = 8'b11011111;
	4:y_l = 8'b11101111;
	3:y_l = 8'b11110111;
	2:y_l = 8'b11111011;
	1:y_l = 8'b11111101;
	0:y_l = 8'b11111110;
	default:y_l = 8'b11111111;
endcase
else
	y_l = 8'b11111111;
end
endmudule

（4）得到rtl原理图

（5）仿真文件书写

module sim1;
reg g1;
reg g2a_l;
reg g2b_l;
reg [2:0] a;
wire [7:0] y_l;
v74x138 uut (g1,g2a_l,g2b_l,a,y_l);
initial begin
	g1 = 0;
	g2a_l = 0;
	g2b_l = 0;
	a = 0;
	#100;
	g1 = 1;
	g2a_l = 0;
	g2b_l = 0;
end
always #100 a = a+1;
endmodule

（6）波形分析

（7）约束文件的书写

set_property PACKET_PIN F3 [get_ports g1]
set_property PACKET_PIN H4 [get_ports g2a_l]
set_property PACKET_PIN N4 [get_ports g2b_l]
set_property PACKET_PIN R2 [get_ports {a[2]}]
set_property PACKET_PIN R3 [get_ports {a[1]}]
set_property PACKET_PIN P4 [get_ports {a[0]}]
set_property PACKET_PIN R8 [get_ports {y_l[1]}]
set_property PACKET_PIN R7 [get_ports {y_l[2]}]
set_property PACKET_PIN T5 [get_ports {y_l[3]}]
set_property PACKET_PIN N6 [get_ports {y_l[4]}]
set_property PACKET_PIN T4 [get_ports {y_l[5]}]
set_property PACKET_PIN T3 [get_ports {y_l[6]}]
set_property PACKET_PIN T2 [get_ports {y_l[7]}]

（8）上板验证
略
2.生成IP核
（1）首先点击create and packet new IP
（2）点击next

（3）继续点击next

（4）还是next

（5）点击finish

（6）填写供应商的名字和公司

（7）由于有所改动，所以重新生成一下ip

总体来看非常的简单，一直下一步就完事了，接下来讲解调用IP核
3.调用IP核
数字电路中译码器三输入的译码器可以实现任意三输入的逻辑函数，所以三变量的多数表决器也可以用译码器实现。这里使用译码器的IP核来实现多数表决器。

（1）点击setting，找到IP下的Repository,点击+号，然后找到目标，加入IP。


（2）双击y74x138v1_0

（3）点击OK

（4）点击generate

（5）点击74x138_0,然后点击ok

（6）调用代码

（7）综合代码
略
（8）波形验证
略

5.时钟同步状态机及其设计流程

时间性，顺序性，步调一致性是时序电路的重要特征
电路状态转换的时间和节奏可以靠时钟（clock）来控制
时钟同步状态机可以分为Mealy和Moore机
时序电路的设计就是已知命题，设计出完成该命题的电路。时钟同步状态机的设计过程大致可以分为以下几个步骤：

（1）根据题目的逻辑要求，构造原始的状态图（state diagram）或构造原始的状态/输出表（State/output table）
（2）构建状态转移表，进行状态简化（State minimization）
（3）根据状态转移表画卡诺图求解。求出电路的状态方程（Output equation）
（4）若有未用状态还需要判断状态是否自启动。若不能自启动需要修改状态转移表
（5）电路实现。用FPGA实现，可以用HDL语言进行描述