FPGA流水灯的设计流程

　　4.4 流水灯的设计输入

　　4.4.1　建立FPGA工程

　　完成项目需求分析、电路图分析以及方案设计后，接下来可以进行FPGA设计了。如果用户的计算机已安装云源软件GOWIN FPGA Designer，双击桌面上的程序图标，即可打开GOWIN FPGA Designer。在工作界面中依次单击菜单“File→New”，可打开新建工程(Projects)或文件(Files)类型选择对话框，如图4-6所示。

　　

 

　　图4-6 新建工程或文件界面

　　选中“Projects→FPGA Design Project”条目，或直接单击主界面中的“Quick Start→New Project”图标，即可打开新建工程对话框，在对话框中设置工程的名称(waterlight)和存放路径，单击“Next”打开器件选择(Select Device)对话框，如图4-7所示。

　　

 

　　图4-7 FPGA 器件选择界面

　　根据CGD100开发板上的FPGA器件型号，在器件系列(Series)列表框中选择GW1N，器件(Device)列表中选择GW1N-4B，封装(Package)列表中选择LQFP144，速度等级(Speed)中选择C6/I5，图中的列表框中自动筛选出CGD100开发板对应的FPGA型号GW1N-UV4LQ144C6/I5，选中该器件型号，依次单击“Next→Finish”完成工程的创建，且软件自动返回到主界面。

　　此时打开工程路径所指向的文件夹，可以发现目录中出现了两个子文件夹“impl”、“src”以及CPRJ类型的工程文件waterlight。其中，impl文件夹存放工程编译后的一些过程文件，src文件夹存放工程中新建的资源文件。可以双击waterlight.gprj直接启动云源软件并打开该FPGA工程。

　　完成工程创建后，如需重新指定FPGA设计的目标器件，可以单击云源软件主界面中的目标器件名称，打开器件设置界面重新指定目标器件，如图4-8所示。

　　

 

　　图4-8 创建工程后重新设置目标FPGA器件界面

　　4.4.2　Verilog HDL程序输入

　　完成FPGA工程建立后，开始编写Verilog HDL程序代码进行FPGA设计。AMD、Intel公司的FPGA开发环境均提供了原理图方式及HDL代码两种输入方式，云源软件仅提供了HDL代码输入方式。原理图的设计输入方式类似于绘制电路图的设计方式，虽然直观，但十分不便于程序移植和后期代码的维护修改，因此应用很少。本书均采用HDL代码输入的方式进行FPGA程序设计。

　　在GWIN FPGA Designer主工作界面中依次单击菜单“File→New”，打开新建资源界面，在资源界面中选中“Files→Verilog File”，单击“OK”，在文件名编辑框(Name)中输入Verilog HDL文件名waterlight，文件存放目录编辑框(Create In)自动设置为当前工程目录下的src文件夹下，如图4-9所示。

　　

 

　　图4-9 新建Verilog文件界面

　　单击“OK”按键，完成Verilog HDL文件的创建，软件主界面的工作区中自动生成名为“waterlight.v”的文件，且该文件处于打开状态，可以在文件中输入设计代码。

　　在文件中输入下列代码。

//waterlight.v文件

module waterlight(

input clk50m,              //系统时钟：50MHz

input rst_n,                //复位信号：低电平有效

output reg [7:0] led          //8个LED灯

);

reg [29:0] cn=0;

always @(posedge clk50m or negedge rst_n)

if (!rst_n) begin

     cn <= 0;

 led <= 8'hff;

 end

else begin

 if (cn>30'd8000_0000) cn <=0;

 else cn <= cn + 1;

 if (cn<30'd1000_0000) led <=8'b0000_0001;

 else if (cn<30'd2000_0000) led <=8'b0000_0010;

 else if (cn<30'd3000_0000) led <=8'b0000_0100;

  else if (cn<30'd4000_0000) led <=8'b0000_1000;

  else if (cn<30'd5000_0000) led <=8'b0001_0000;

  else if (cn<30'd6000_0000) led <=8'b0010_0000;

 else if (cn<30'd7000_0000) led <=8'b0100_0000;

 else led <=8'b1000_0000;

 end

endmodule

　　上述文件代码实现的是一个8位流水灯功能电路，每个灯点亮0.2s的时间，依次循环点亮，实现流水灯效果。本章仅关注FPGA的基本开发流程，关于流水灯的设计思路及Verilog HDL语法细节将在后续章节逐步展开讨论。

　　完成代码输入后保存文件。流水灯程序共有10个信号接口：时钟信号clk50m、复位信号rst_n，以及8根LED灯信号。要使设计的程序能够在FPGA开发板上正确运行，需要将程序的端口信号与CGD100电路板上的FPGA管脚关联起来。完成信号与管脚关联过程称为物理管脚约束。

　　新建类型为“Physical Constraints File”，在文件中输入下列代码。

//CGD100.cst文件IO_LOC "clk50m" 7;IO_PORT "clk50m" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_LOC "rst_n" 65; //k8IO_PORT "rst_n" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_LOC "led[0]" 23;IO_LOC "led[1]" 24;IO_LOC "led[2]" 25;IO_LOC "led[3]" 26;IO_LOC "led[4]" 27;IO_LOC "led[5]" 28;IO_LOC "led[6]" 29;IO_LOC "led[7]" 30;IO_PORT "led[0]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[1]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[2]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[3]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[4]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[5]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[6]" IO_TYPE=LVCMOS33;IO_PORT "led[7]" IO_TYPE=LVCMOS33;

　　至此，我们完成了流水灯例程的所有代码输入工作。双击GOWIN FPGA Designer主界面中的“Run All”工具按键，软件自动完成工程的综合及布局布线工作。如果代码输入正确，则软件界面左侧“Process”窗口中的“Synthesize”和“Place & Route”条目均会出现绿色的勾，表示程序综合及布局布线正确，如图4-10所示。

　　

 

　　图4-10 程序综合及布局布线成功后的界面

　　4.5程序文件下载

　　程序布局布线成功后，在工程目录的“implpnr”路径下会生成扩展名为fs的程序文件。对于流水灯工程实例来讲，生成的程序文件为waterlight.fs。采用USB线连接CGD100开发板和电脑，双击“ Program Device”条目，启动程序下载工具Gowin Programmer，同时弹出下载线设置对话框，如图4-11所示。

　　

 

　　图4-11 程序下载线设置对话框

　　按图4-11设置下载线状态，单击“Save”，返回到Gowin Programmer界面。设置“Series”为GW1N，“Device”为GW1N-4B。单击“Operation”，打开下载模式设置界面。FPGA最主要的程序下载模式有两种：SRAM模式及Embedded Flash模式，前者模式在掉电后程序即丢失，后者模式在掉电后程序不丢失。对于SRAM模式来讲，在下载模式设置界面中，“Access Mode”选择SRAM Mode，“Operation”选择“SRAM Program”;对于Embedded Flash模式，在下载模式设置界面中，“Access Mode”选择Embedded Flash Mode，“Operation”选择“embFlash Erase,Program”。在“File name”编辑框中设置下载文件为工程布局布线后生成的waterlight.fs。两种程序下载模式的设置界面如图4-12、4-13所示。

　　

 

　　图4-12 SRAM模式下载模式设置界面

　　

 

　　图4-13 Embedded Flash下载模式设置界面

　　

 

　　图4-14 Gowin Programmer配置界面

　　完成设置后的Gowin Programmer界面如图4-14所示。单击“Program/Configure”工具按钮即可完成程序的下载。程序下载完成后，可以观察到CGD100的8个LED灯呈现流水灯效果。

　　4.6 小结

　　本章以流水灯实例为例详细介绍了FPGA的设计流程。相对于AMD、Intel等FPGA厂商的FPGA开发环境来讲，高云云源软件的开发界面及流程都要简单得多，因此更适合FPGA初学者快速掌握FPGA的设计流程。本章的学习要点可归纳为：

　　(1)了解FPGA的设计流程，并将设计流程与PCB设计流程进行对比分析。

　　(2)掌握云源软件的基本使用方法及步骤。

　　(3)理解SRAM及Embedded Flash两种下载模式的特点。

　　审核编辑：汤梓红