ZED-Board从入门到精通（四）：从传统FPGA开发到PL开发的转变

数字电路经过半个世纪，从分立元件到小规模集成电路、中等规模集成电路、大规模、超大规模，集成度越来越高，运算能力越来越强，功耗越来越低，人类已经将数字集成电路发展到接近摩尔定律极限。

FPGA是这样一类数字电路，它可以反复修改自身逻辑功能，具有灵活多变的特性，设计FPGA的过程其实是遵循数字电路设计的一般流程的：

（1）需求分析

（2）抽象逻辑表示（真值表、状态流图）

（3）具体逻辑表示（HDL、布尔方程）

（4）将逻辑表示综合为可实现的电路（门电路、LUT和触发器）

（5）验证

 

FPGA逻辑工程师一般是从应用需求出发，用Verilog或VHDL来描述算法，并通过综合实现工具、仿真工具、调试工具来协助完成设计。

针对Xilinx器件，开发工具为ISE(Project Navigator，ISim，iMact，Chipscope），有时需要用Modelsim工具完成HDL仿真。

 

Zynq内部包含PL，资源前面已经说过了，大量LUT，FF，DSP48E1等着你来组织，开发PL可以完全脱离PS，采用传统开发工具ISE完成。

下面给出只利用PL实现流水灯的例子，希望能有抛砖引玉的功效。

上一节介绍了使用ARM控制流水灯的例子，这里完成同样的功能，但用PL实现控制，将PS冷落一旁，不用理它。

首先运行ISE Design Suite 14.5，打开Project Navigator软件。

File->New Project，新建一个工程，弹出对话框如下：

按照上图进行工程设置，然后点Next

 

 

设置器件为XC7Z020，即我们Zedboard上的主芯片型号。封装为CLG484，速度级别为-1，语言选择VHDL。点Next，Finish。

我们分析一下怎样完成这个设计。数字电路都需要有时钟源，我们的PL也不例外，板子上有专为PL提供时钟输入的晶振，在原理图中找到：

可见晶振输入为100MHz，直接送入Y9引脚（位于PL部分）。如此高的时钟速率，需要经过分频，LED闪烁速率最好低于10Hz，这样人眼才能分辨出来。

用ISE提供的IP核可以实现分频，在工程中Add Source：

选择IP（Core Generator），输入名称为clk_module，如上图，点Next。

 

 

从“FPGA Features and Design”中"Clocking“下找到Clocking Wizard，点Next，Finish。进入配置IP的环节。

 

 

第一步，默认设置，Next。。。

 

 

 

第二步，将CLK_OUT1输出频率设置为5MHz（貌似不能再小了），其他不改，点Next。

第三步里把复位和锁定引脚去掉，如下图所示，后面都一路Next到结束。

 

这样生成了第一个分频器，输入为100MHz，输出为5MHz，需要进一步分频。

 

再New Source一下，选VHDL模块，命名为myled.vhd，输入代码如下：

----------------------------------------------------------------------------------
-- Company: 
-- Engineer: 
-- 
-- Create Date:    20:59:03 08/16/2013 
-- Design Name: 
-- Module Name:    myled - Behavioral 
-- Project Name: 
-- Target Devices: 
-- Tool versions: 
-- Description: 
--
-- Dependencies: 
--
-- Revision: 
-- Revision 0.01 - File Created
-- Additional Comments: 
--
----------------------------------------------------------------------------------
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if using
-- arithmetic functions with Signed or Unsigned values
--use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if instantiating
-- any Xilinx primitives in this code.
--library UNISIM;
--use UNISIM.VComponents.all;

entity myled is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
			  rst : in  STD_LOGIC;
           led : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end myled;

architecture Behavioral of myled is
signal clk_5M : STD_LOGIC;
signal localbuffer :STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);

component clk_module
port
 (-- Clock in ports
  CLK_IN1           : in     std_logic;
  -- Clock out ports
  CLK_OUT1          : out    std_logic
 );
end component;
begin

myclk : clk_module
  port map
   (-- Clock in ports
    CLK_IN1 => clk,
    -- Clock out ports
    CLK_OUT1 => clk_5M);
	process(clk_5M,rst)	
	variable cnt : integer := 0;
	begin
		led <= localbuffer;
		if(rst = '1') then
			localbuffer <= X"01";
		elsif(clk_5M'EVENT and clk_5M = '1')
		then
			cnt := cnt + 1;
			if (cnt = 5000000)
			then
				localbuffer <= localbuffer(6 downto 0)&localbuffer(7);
				cnt := 0;
			end if;
		end if;
	end process;
	
end Behavioral;

 

这里使用计数器实现了分频，输出为1Hz。

 

Add Source，选UCF，命名myled.ucf，内容如下：

 

## 
##  This is an updated UCF file from the original version by Digilink. 
##  The CS signal has been removed and all the other signals are mapped to 
##  proper pin on the Zynq FPGA. 
##  For the reset, the middle-push button is used.
##  Modified by Farhad Abdolian ([email protected]) Nov. 5, 2012
##

Net "clk" LOC=Y9 | IOSTANDARD=LVCMOS33;
Net "clk" TNM_NET = sys_clk_pin;
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 100000 kHz;

NET "led[0]" LOC = T22;
NET "led[1]" LOC = T21;
NET "led[2]" LOC = U22;
NET "led[3]" LOC = U21;
NET "led[4]" LOC = V22;
NET "led[5]" LOC = W22;
NET "led[6]" LOC = U19;
NET "led[7]" LOC = U14;
NET "led[7]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[6]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[5]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[4]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[3]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[2]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[1]" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led[0]" IOSTANDARD = LVCMOS33;

#We use the center push button as the reset for this project
Net "rst" LOC = P16 | IOSTANDARD = LVCMOS33;

源文件都已经OK，接下来进行综合、实现、生成bit、iMPACT下载即可（按照标准FPGA开发流程），效果与前面的实验相同，略去不表。这里由于逻辑比较简单，省去了功能仿真、时序仿真等流程。真正的逻辑开发最好经过仿真后再下载到硬件中。

 

从上面这个例子发现，不考虑ARM时，PL部分开发与普通的FPGA开发并没有任何区别。

 

恰恰是由于ARM的存在，我们的PL可以实现更多复杂的功能！

 

1. DDR控制。采用逻辑来实现DDR2存储器访问非常复杂，调试也非常耗费时间。ARM核的存在，使得PL可以借助ARM来做DDR2控制器，访问时只需遵循PS与PL之间的通信协议——AXI就可以了。

2. 操作系统。同样，FPGA上运行操作系统是一件费力不讨好的事情，浪费大量逻辑资源，如果用软核实现CPU，性能又不高。如果有ARM硬核负责操作系统的日常维护，必要时FPGA仍然通过AXI总线与ARM上的操作系统进行交互。

3. 网络。

4. USB通信

 

从传统FPGA开发到Zynq上PL开发需要改变一个观念：逻辑可以实现一切。嵌入硬核恰恰说明一点：有些事还是别让逻辑来做！