FPGA Verilog视频笔记
最近抽空看了不少教学视频，简单整理一下
USB、以太网UDP通信虽然复杂，但是有专门芯片，具体FPGA代码就比较简单
SD卡、SDRAM较为复杂，但完全由FPGA驱动，相比之下代码就比较复杂
1_开发板综合测试（带GUI界面显示）_哔哩哔哩_bilibili
3 初识FPGA
1 FPGA是什么：与单片机异同、厂商、优势
2 应用领域及前景：通信、算法、嵌入式、前沿科技--5G无线、自动驾驶、AI、云计算
3 内部结构：框图
4 开发流程：流程图
4 开发板资源介绍
电源：适配器、USB（小功率）、排针
CAN、WIRELESS、SD卡、IO、RGB TFT LCD、晶振、JTAG、USB转串口、32Mbyte SDRAM、数码管、喇叭、OLED 摄像头接口、光传感器、蜂鸣器、红外接收头、RTC时钟、单总线接口、LED、按键、电池、AD DA、音频输入输出、以太网、485、232、VGA、MCU LCD、FPGA、FLASH、EEPROM
6_软件篇_Quartus II 软件的使用
1 简介：Altera专用
2 开发流程：新建工程、设计输入、配置工程、分析综合、分配引脚、编译工程得到sof
3 流水灯实例：创建文件夹层次、新建工程、选择芯片型号、新建代码文件、编写代码、分析综合、Tab设置为4个字符 禁止保存备份文件、双用途引脚设置、分配引脚（对应qsf文件，也可直接修改qsf）、编译、下载sof（片内RAM，断电丢失）、sof转为jic、下载jic 擦除flash
P7_软件篇_SignalTap II软件的使用
1 简介：片上调试软件、内嵌逻辑分析仪；缺点--消耗FPGA资源
2 实例：打开qpf工程、打开signaltap；选择综合前信号、选择时钟、采样深度、保存为stp文件；编译、下载、采集波形；常用用法--触发方式、数据类型显示；禁止signaltap 节约资源
P10_软件篇_Modelsim软件的使用_手动仿真
以流水灯为例，视频演示了完整的仿真过程，还有各种常用操作和设置
好久不用，直接看一遍视频就行
Modelsim工程后缀 .mpf
建立仿真工程-->添加文件-->编译通过-->开始仿真-->添加波形-->仿真
restart -f run 5us 变量本身没有变化，修改文件且编译后快速重新仿真
功能仿真如下
时序仿真：拷贝网表文件.vo .sdo文件、altera_ver cycloneive_ver文件夹，仿真工程添加.vo文件并编译，library添加两个文件夹。时序仿真如下，注意counter变化时刻与时钟沿不一致
P11_语法篇_Verilog简介
1 FPGA：传统数字电路-->PLD-->CPLD乘积项 FPGA查找表 、用户角度没区别；
2 HDL：中美Verilog、欧洲VHDL
3 Verilog：83年发明、1995、2001两版标准；原理图开发仅适合小规模；
P12_语法篇_Verilog基础语法
1 基础知识：逻辑值 0 1 X Z；进制 4‘b0101 4'd2 'o 4'ha 16’b1001_1010=16'h9A、默认32位；标识符 定义模块名、端口名、信号名、区分大小写、建议小写 下划线 前后缀；
2 数据类型：寄存器--reg、默认初始值为X、数据存储单元。时序逻辑中reg对应触发器，组合逻辑中reg对应硬件接线； 线网--wire tri、不能储存值、默认初始值为高阻Z； 参数--parameter、常量。用于定义位宽、状态机、延迟大小、模块参数传递；
3 运算符：/只能整数除法；！非、~按位取反；？：条件运算符；左移位宽增加，右移位宽不变；拼接运算符。
P13_语法篇_程序框架
1 注释：// /* */
2 关键字：
3 程序框架：基本单元 module；端口描述默认wire，除非明确写reg；
模块调用时，模块输出端必须连接wire类型
P14_语法篇_高级知识点
1 结构语句：initial一般用于测试文件；always--敏感列表、块语句。边沿触发常描述时序逻辑，电平触发常描述组合逻辑。
2 赋值语句：= 阻塞赋值；<= 非阻塞赋值；
3 条件语句：必须在过程块中使用。if、case
P15_语法篇_状态机
1 概念：在有限个状态之间按一定规律转换的时序电路。
2 模型：moore是mealy的特例，密码锁为moore状态机。
3 设计：四段论--状态空间定义 独热码译码逻辑简单、状态跳转、下个状态判断（组合逻辑 使用阻塞赋值）、各个状态下的动作
组合逻辑线路延时导致数据偏移，可能导致下一级接收电路出错
P16_实战篇_流水灯
1 LED简介：发光二极管
2 硬件设计：管脚连接
3 实例：
One more thing：直接在qsf文件中修改引脚配置，修改成功。
P17_实战篇__按键控制LED
1 按键简介： 轻触式按键、自锁式按键
2 硬件设计：按下为低电平，弹起高电平
3 软件设计：
One more thing：
编译通过的quartus工程，打开工程时删除qsf，对于工程没有影响，会自动生成一个一模一样的qsf
关闭工程时删除qsf，重新打开工程编译失败，需要重新加载.v文件，重新选择FPGA型号，重新配置引脚，才能得到一样的现象
但是有下图的区别
P18_实战篇_按键控制蜂鸣器（按键消抖）
1 蜂鸣器简介：有源蜂鸣器（含振荡源，黑胶封闭、直接加电源可鸣叫）、无源蜂鸣器（无振荡源，能看到PCB，须加脉冲鸣叫）
2 按键消抖简介：机械按键抖动5-10ms。延时20ms采样 或 信号无抖动持续20ms
3 程序设计：
一共三个源文件，设置顶层模块
One more thing：
视频中的代码有缺陷，下图灰色部分delay_cnt赋值代码有时候不执行（SignalTapII实测发现，随机出现，概率很低），应该和异步信号检测有关，外部引脚使用前应该先打两拍
代码不执行分析：key某一时刻从0变为1，恰好与时钟上升沿时刻相近，不满足建立时间或保持时间，导致发生亚稳态，if(key_reg != key)上一个时钟上升沿key_reg、key都是0，下一个时钟上升沿key_reg、key都是1，delay_cnt赋值失败。类似图如下
P19_实战篇_触摸按键控制LED
1 触摸按键简介：电容式、电阻式、红外感应式、表面声波式。电容式最广泛。
2 硬件设计：触摸芯片AR101，FPGA无需考虑防抖
3 软件设计：经典边沿检测代码如下
//根据按键信号的上升沿判断按下了按键
assign touch_en = (~touch_key_d1) & touch_key_d0;
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(sys_rst_n == 1'b0) begin
touch_key_d0 <= 1'b0;
touch_key_d1 <= 1'b0;
end
else begin
touch_key_d0 <= touch_key;
touch_key_d1 <= touch_key_d0;
end
endP20_实战篇_数码管静态显示
1 数码管简介：静态显示--独立段显信号；动态显示--共用段显信号；
2 硬件设计：动态显示电路；
3 程序设计：循环显示0~f
P21_实战篇_数码管动态显示
1 数码管驱动方式：动态扫描速度，扫描周期<1/24秒。视频中代码6ms刷新一遍，改为；24ms几乎看不出闪烁；60ms闪烁很明显；600ms、6s刷新显示明显异常；
2 硬件设计：同上节
3 程序设计：视频中说乘法和除法占用时间较长，需要低频的时钟。但实测50M的1个时钟就计算完毕了
assign data0 = data % 4'd10; // 个位数 自动调用IP核
assign data1 = data / 4'd10 % 4'd10 ; // 十位数
assign data2 = data / 7'd100 % 4'd10 ; // 百位数 100对应7bit
assign data3 = data / 10'd1000 % 4'd10 ; // 千位数
assign data4 = data / 14'd10000 % 4'd10; // 万位数
assign data5 = data / 17'd100000; // 十万位数
P22_实战篇_PLL锁相环实验
1 PLL简介：倍频、分频、相位偏移、占空比
2 PLL IP使用：设置输入 输出时钟频率、例化；生成.qip .v两个文件
3 PLL IP仿真：altera_mf.v
一个清爽的设置
P23_实战篇_RAM读写实验
1 RAM简介：可配置RAM ROM FIFO 移位寄存器、单口 双口RAM；M9K 8192bit；
2 程序设计：单口RAM；极简时序；
3 IP核的使用：M9K优于LCs（选择自动，系统优先使用M9K)、SignalTap演示、In-System Memory Content Editor调试RAM
32*8bit、单时钟、取消输出寄存、取消时钟使能信号、创建读使能
P24_实战篇_FIFO读写实验
1 FIFO简介：时钟不同、位宽不同，用于不同时钟域数据传输或不同位宽接口匹配；
2 程序设计：写入数据后读出、系统框图
3 IP核使用：详细演示FIFO-IP核用法、读写FIFO模块代码解读、SignalTap演示效果
双时钟、前显模式
33 RGB-LCD第一讲 彩条显示
1 简介：液晶原理、像素 分辨率、行列扫描、像素格式RGB888、接口RGB MCU LVDS MIPI、IIC SPI支持触摸屏、接口原理图
2 时序：
3 程序设计：
34 RGB-LCD第二讲 彩条显示
1 简介：
2 时序：时间参数、黑边框原因、行显示时序、帧显示时序、更改电阻调整LCD分辨率 方向、管脚说明
3 程序设计：读LCD ID模块、时钟分频模块、LCD显示模块生成彩条、LCD驱动模块--最底层
35 RGB-LCD第3讲 彩条显示
读LCD ID模块：读取尺寸和分辨率
时钟分频模块：提供LCD时钟、2分频、4分频
LCD显示模块生成彩条：5个等分彩条
LCD驱动模块--最底层：兼容5种屏幕
RTL、效果演示
36 RGB TFT-LCD字符显示试验
1 RGB LCD字符显示简介：取模软件PCtoLCD用法
2 硬件设计：原理图、管脚分配
3 程序设计：系统框图、LCD显示模块--坐标计算
效果演示
P45_实战篇_EEPROM读写测试（第一讲：EEPROM简介）
1 EEPROM简介：寿命一般100万次；EEPROM--以字节为单位改写、结构复杂成本高、容量小、一般存储关键数据；FLASH--以扇区 块为单位擦除、结构简单成本低、容量大、一般存储大容量数据；
看原厂datasheet简介
2 硬件设计：AT24C64 64Kbit
P46_实战篇_EEPROM读写测试（第二讲：IIC时序）
1 IIC通信协议：Inter-Integrated Circuit 内部集成电路总线、数据量小、距离短、主从通信；标准100Kbps、快速400Kbps、高速3.4Mbps；UART异步全双工、IIC同步半双工；看原厂datasheet写时序
P47_实战篇_EEPROM读写测试（第三讲：IIC时序）
看原厂datasheet读时序
P48_实战篇_EEPROM读写测试（第四讲：程序设计）
试验任务：写入地址0-255并读取。
端口划分
驱动模块状态跳转图
注意避免下图状态，使用三态
//SDA控制
assign sda = sda_dir ? sda_out : 1'bz; //SDA数据输出或高阻
assign sda_in = sda ; //SDA数据输入
P49_实战篇_EEPROM读写测试（第五讲：程序设计）
4倍频，满足IIC时序要求
P50_实战篇_EEPROM读写测试（第六讲：程序设计）
通过4倍频时钟计数器实现IIC时序
本视频讲解IIC代码
仿真IIC模块，需要EEPROM仿真模型（时序复杂的一般官网会提供，较为简单的可以自己写或百度）
P51_EEPROM程序设计(第七讲：程序设计)
仿真IIC模块。主要观察scl、sda波形。
sda白色虚线为高阻
sda红色为不定态，EEPROM模型不严谨，不影响仿真
P52_EEPROM程序设计(第八讲：程序设计)
讲解EEPROM读写模块和LED模块
烧写sof，看LED
P53_实战篇_环境光传感器实验
1 AP3216C简介：数字环境光传感器+距离传感器+红外传感器；IIC 400kHz；
2 硬件设计：
3 程序设计：数码管显示环境光强度， LED灯亮灭指示物体距离远近。
als_data = als_data_t * 6'd35 / 7'd100; //*0.35P54_实战篇_RTC实时时钟实验
1 PCF8653简介：和EEPROM、环境光传感器共用IIC总线；
2 硬件设计：
3 程序设计：配置并显示时间，按键切换日期、时间；
P55_实战篇_AD-DA实验
1 PCF8591简介：4AD 1DA 1IIC；IIC独立于EEPROM、RTC、ALS/PS的另一条总线；8位，器件地址、状态寄存器、读写时序
2 试验任务：先DA输出，后AD采样，显示在数码管上
3 硬件设计：
4 程序设计：
P57_实战篇_SDRAM简介
1 存储器简介：存储器类型、SD同步 动态（电容充电）、容量大 速度快 便宜 控制复杂
2 SDRAM内部结构：L Bank 行列 存储单元、功能框图
3 硬件设计：原理图、管脚分配
P58_实战篇_SDRAM操作时序（第一讲）
1 初始化：稳定期 预充电 刷新 模式寄存器设置、MRS tRSC
2 读写操作：行激活、tRCD、列读写、CL、数据输出 读、数据输入 写、tWR、
P59_实战篇_SDRAM操作时序（第二讲）
2 读写操作：突发长度、数据掩码、读写预充电 tRP
上图应该是错了，但是历程的代码是对的， Datasheet如下图
3 刷新：动态、自动刷新 自刷新
P60_实战篇_SDRAM程序设计（第一讲）
1 试验任务：先写后读
2 系统框图：框图、RTL；输出给SD RAM芯片的时钟考虑硬件延时；
3 程序设计：SDRAM控制器框图、初始化状态机、工作状态机
P61_实战篇_SDRAM程序设计（第二讲）
测试模块、led模块、FIFO模块--用户至SDRAM转换
P62_实战篇_SDRAM程序设计（第三讲）
SDRAM控制器：状态控制、命令控制、数据读写
状态控制模块、命令控制模块：最底层代码、对应芯片手册、有头文件、对应2个状态机图、操作指令
数据读写模块：最简单
72 SD卡简介
1 SD卡概述：安全数字卡、基于flash、MMC SD TF异同、SDSC SDHC SDXC容量级别、速度等级、SD TF 引脚定义 SDIO SPI、
2 SD卡常用命令：写命令格式、CMD0 8 17 24 55 ACMD41、返回R1 R3 R7
3 硬件设计：原理图、上拉电阻
73 SD卡操作时序
1 SPI接口与时序：同步全双工、4个引脚、通信模式3 时钟极性 相位
2 SD卡初始化：发送命令确认协议版本 卡类型；步骤--同步 复位 查版本号 发CMD55 发ACMD41；复位命令时序
3 SD卡读写操作：读写时序 数据块 数据头
74 SD卡程序设计1
1 试验任务：写入后读回512字节数据
2 系统框图：框图讲解
3 程序设计：顶层原理图、2路反向50MHz时钟、初始化状态机
75 SD卡程序设计2
数据产生代码解读；
核心 SD卡顶层控制模块源码解读--SD初始化代码
76 SD卡程序设计3
应该先看一遍代码，再看视频讲解或者不看视频
读SD卡模块、写SD卡模块：对比时序图讲代码；实验演示
77 SD卡图片显示--VGA
1 简介：SD卡事先存入BIN图片，FPGA读取并通过VGA显示；
2 试验任务：SD-->FPGA-->SDRAM-->VGA、两张图片循环显示
3 程序设计：系统框图、RTL、读取SD卡图片模块代码详解、img2lcd SD卡处理 WinHex、实验效果演示
78 SD卡图片显示--RGB
1 试验任务：SD-->FPGA-->SDRAM-->RGB LCD
2 程序设计：系统框图、分辨率 时钟异于VGA、实验演示、更改图片分辨率后再次演示
P80_实战篇_以太网简介
1 以太网概述：IEEE802.3；速度--标准10M、快速100M、千兆1G；RJ45引脚；
2 MII接口与时序：PHY芯片作用--并转串、自动协商；MII引脚、时序
3 硬件设计：MII转为RJ45
冲突检测一般用在半双工，全双工时不需要
P81_实战篇_以太网通信协议（UDP）
1 以太网数据格式：OSI底层4层、数据包、帧格式解析、帧间隙
2 IP协议：数据报格式解析、校验和算法
3 UDP协议：TCP UDP区别 UDP效率高适合Verilog实现 
P82_实战篇_以太网通信程序设计（第一讲）
1 试验任务：网口调试助手与FPGA通信、FPGA先收后发
2 系统框图：功能框图、顶层原理图、模块端口及功能
3 程序设计：收发状态机
P83_实战篇_以太网通信程序设计（第二讲）
顶层模块 eth_pc_loop简介
UDP模块udp：ip_send详细讲解源码
P84_实战篇_以太网通信程序设计（第三讲）
接收模块ip_receive、脉冲同步模块pulse_sync_pro 逐行解读源码
实验步骤、效果演示、网络调试助手、Wireshark
本机实测结果：PC先发后收，共5个字节
PC机MAC如下图
PC发送给FPGA如下
00 11 22 33 44 55（目的MAC，即FPGA-MAC） b4 b6 86 be 92 68(源MAC，即PC-MAC) 08 00（IP协议） 4（IPv4）5（首部长度） 00（一般服务）
00 21（总长度=33byte=IP 20+UDP 8+数据 5byte） bb 7c（标识） 00 00（允许分片，偏移=0） 40（生存时间64） 11（UDP=17=0x11） 00 00（首部校验和） c0 a8 0b 32（源IP地址 192.168.11.50） c0 a8 0b 7b（目的IP地址 192.168.11.123） 04 d2（源端口号1234） 04 d2（目的端口号1234） 00 0d（UDP长度13byte=UDP 8+数据 5byte） 98 1c（UDP校验和） 55 66 77 88 99(用户数据)
FPGA发送给PC如下
ff ff ff ff ff ff（目的MAC，广播） 00 11 22 33 44 55(源MAC，即FPGA-MAC) 08 00（IP协议）4（IPv4）5（首部长度） 00（一般服务）
00 21（总长度=33byte=IP 20+UDP 8+数据 5byte）01 78（标识） 40 00（ 不分片，偏移=0） 40（生存时间64） 11（UDP=17=0x11） a1 56（首部校验和） c0 a8 0b 7b（源IP地址 192.168.11.123） c0 a8 0b 32（目的IP地址 192.168.11.50） 04 d2（源端口号1234） 04 d2 （目的端口号1234） 00 0d（UDP长度13byte=UDP 8+数据 5byte） 00 00（UDP校验和） 55 66 77 88 99 (用户数据)
66 77 88 99 66 77 88 99 66 77 88 99 66（为凑够18个字节而填充的13个字节）
P85_实战篇_以太网传输图片（VGA显示）
1 试验任务：上位机-->FPGA-->SDRAM-->VGA显示
640*480
2 程序设计 ：系统框图、顶层模块eth_sdram_vga源码解读、32位转16位模块解读
img2lcd、PC网络设置为巨型帧（突破1500字节的限制）、效果演示
P86_实战篇_以太网传输图片（RGB-LCD显示）
1 试验任务：PC机-->FPGA-->SDRAM-->LCD 800*480
2 程序设计：框图、顶层模块介绍
外设连接、img2lcd、效果演示、wireshark
尽管设置了巨型帧，但实际发的还是正常的帧。一共发了1500帧（视频中只发了不到100帧），每帧有效数据512字节。1500*512 = 768000 = 800*480*2。
91 基于FFT IP核的音频频谱仪试验
1 频谱简介：时域 频域、声音示例、FFT简介 共轭对称
2 试验任务：音频WM8978-->IP核-->RGB LCD
3 程序设计：系统框图、RTL
92 基于FFT IP核的音频频谱仪试验-代码详解
顶层模块
音频：改为16位字长、只用1通道
FFT相关模块（FFT FIFO FFT控制 取模）：数据流接口 sop eop、1帧128个数据、计算原码、sqrt IP核
FFT核需要破解
93 基于FIR IP核的低通滤波器试验
1 FIR滤波器简介：有限冲激响应、阶数+1=抽头数
2 试验任务：将上1个FFT试验进行低通滤波
3 程序设计：系统框图、添加FIR IP核 配置、quartus_map.exe、音频滤波效果演示
正点原子手把手教你学FPGA-基于达芬奇开发板 A7_哔哩哔哩_bilibili
1 综合测试
演示效果
数码管、流水灯、按键、触摸键、摄像头、LCD、HDMI、网口、USB、串口测试 SD卡 EEPROM RTC 蜂鸣器
74 USB通信试验
1 USB协议讲解：高速串行、应用软件-->系统软件-->USB控制总线、7种域、3类包、三大事务
2 硬件设计
3 程序设计
75 USB通信试验
1 USB协议讲解：IN事务、OUT事务、SETUP事务；4种传输模式；2个位-->7个域-->3个包-->3个事务-->4个传输
2 硬件设计：FT232芯片--电源模块、EEPROM接口、底层协议解析、FPGA接口模块、复位模块；引脚说明；USB2FIFO；典型电路
3 程序设计
76 USB通信试验
1 USB协议讲解：
2 硬件设计：
3 程序设计：时序图、源码解读 很简单、ATK-FUSB演示
正点原子FPGA实战篇之以太网_哔哩哔哩_bilibili
72 以太网简介
1 以太网概述：速度、RJ45引脚
2 MII接口与时序：PHY芯片作用、MII引脚、时序
3 硬件设计：MII转为RJ45
73 以太网通信协议UDP
1 以太网数据格式：OSI底层4层、数据包、帧格式解析、帧间隙
2 IP协议：数据报格式解析、校验和算法
3 UDP协议：TCP UDP区别 UDP效率高适合Verilog实现
74 以太网通信试验
1 试验任务：网口调试助手与FPGA通信、FPGA先收后发
2 系统框图：功能框图、顶层原理图、模块端口及功能
3 程序设计：收发状态机
75 以太网通信试验（源码讲解）
顶层模块 eth_pc_loop简介
UDP模块udp：ip_send详细讲解源码
76 以太网通信试验（源码讲解）
接收模块ip_receive、脉冲同步模块pulse_sync_pro 逐行解读源码
实验步骤、效果演示、Wireshark
77 以太网传输图片
1 试验任务：上位机-->FPGA-->SDRAM-->VGA显示
2 程序设计 ：系统框图、顶层模块eth_sdram_vga源码解读、32位转16位模块解读
img2lcd、PC网络设置为巨型帧、效果演示
78 以太网传输图片 LCD
1 试验任务：PC机-->FPGA-->SDRAM-->LCD
2 程序设计：框图、顶层模块介绍
外设连接、img2lcd、效果演示、wireshark
79 以太网传输视频OV7725
1 视频传输简介：自定义帧头
2 试验任务：OV7725摄像头-->FPGA-->上位机
3 程序设计：系统框图、顶层模块介绍、图像数据封装模块介绍、RawNetCapture
80 以太网传输视频OV5640
1 试验任务：OV5640-->FPGA-->上位机
2 程序设计：系统框图、顶层模块介绍、效果演示
81 以太网音频互传WM8978
1 试验任务：2块FPGA打电话
2 程序设计：系统框图、顶层模块介绍、音频缓存收发模块介绍、效果演示