ARTIX-7 XC7A35T实验项目之流水灯

刷题推荐

链接: Verilog刷题

1，实验简介

通过LED流水灯实验，熟悉vivado软件开发FPGA的基本流程。包括器件选择、设置、代码的编写、编译、分配管脚、下载、程序FLASH固化烧录等。

2，实验环境

vivado 2019.1
黑金AX7035开发板

3，实验原理

3.1，LED硬件电路

从原理图可以看出，FPGA的IO输出低电平点亮LED，输出高电平LED熄灭。

4，程序设计

FPGA的设计中通常使用计数器来计时，对于50MHZ的系统时钟，一个时钟周期是20ns，那么表示1秒需要50_000_000个时钟周期。

4.1，vivado工程创建

1，打开vivado，在IDE里双击Create Project，如下图：

2，弹出一个vivado的工程向导，点击Next；
3，在弹出的对话框中输入工程名和工程存放的目录，工程可以选择自定义一个文件夹存放，这里取一个led_test的工程名，点击Next；

4，在下面的对话框中默认选择RTL Project，因为这里使用Verilog行为描述语言来编程。下面的Do not specify source at this time 的勾也可以打上。如果不打上，下一步会进入添加source file界面；

5，进入添加source file 界面，这里先不添加任何设计文件，点击Next；
6，提示是否添加已有的约束文件，这里约束文件也没有设计，所以不添加；
7，选择所用的FPGA器件，以及进行配置。首先在Family栏里选择Artix - 7，Speed grade栏选择-2，在Package栏选择fgg484，然后在下面列表中选择xc7a35tfgg484-2，单击Next；

8，再次确认板子型号是否正确，没有问题点击Finish完成工程创建。

4.2，编写流水灯的Verilog代码

1，点击Project Manager下的Add Sources图标；

2，选择Add or create design sources，点击Next；

3，点击Add Files可以添加源文件，点击AddDirectories可以按目录添加源文件，因为还没设计程序，所以点击Create File按钮；

在弹出的对话框里选择File type是Verilog，File name是led_test，点击OK，点击Finish；

4，向导会提示定义I/O端口，可以在后面编写，单击OK，单击Yes。这时在Project Mannager界面下的Design Sources已经有了一个led_test.v文件，并自动成为项目的top模块；

5，编写代码，control+s保存好代码；

`timescale 1ns / 1ps
module LED_test
(
    input sys_clk,      //system clock 50MHZ on board
    input rst_n,        //reset low active
    output [3:0] led    //LED use of control the LED signal on board
); 

reg [31:0] timer;
reg [3:0] led;
//==============================
/cle counter : from 0 to 4 sec
//==============================
always @(posedge sys_clk or posedge rst_n)
    begin
        if(~rst_n)
            timer <= 32'd0;                 //when the reset signal valid,time counter clearing
        else if(timer == 32'd199_999_999)   //4 seconds count(50M * 4 - 1 = 199_999_999)
            timer <= 32'd0;                 //count done,clearing the time counter
        else
            timer <= timer + 1'b1;          //timer counter = timer counter + 1
     end
//==============================
//LED control
//==============================
always @(posedge sys_clk or posedge rst_n)
    begin
        if(~rst_n)
            led <= 4'b1111;
        else if(timer == 32'd49_999_999)
            led <= 4'b0111;
        else if(timer == 32'd99_999_999)
            led <= 4'b1011;
        else if(timer == 32'd149_999_999)
            led <= 4'b1101;
        else if(timer == 32'd199_999_999)
            led <= 4'b1110;
    end
 
ila ila_inst
( 
    .clk(sys_clk),
    .probe0(timer),
    .probe1(led)
);
endmodule
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4.3，添加XDC管脚约束文件

4.3.1，添加LED管脚约束

1，点击RTL Analysis下的Open Elaboratred Design图标；

2，在I/O Ports添加I/O口和时钟、复位口的引脚，如果在栏目找不到，到菜单栏单击Window，选择I/O Ports。将原理图的I/O写入，复位引脚在这里默认低电平复位，将I/O口用一个按键替代即可；

3，control+s保存，在弹出的向导里File type 默认是XDC，Project name自定义，在这里是led，单击OK；

4.3.2，添加时钟约束

1，点击Synthesis下的Open Synthesized Design图标，选择Constranits Wizard，点击Next；

2，在Frequency栏下输入50，点击Skip to Finish,点击Finish；

3，打开xdc文件，会出现约束语句。

4.4，vivado仿真验证

可以用vivado自带的仿真工具来验证流水灯程序的结果
1，设置vivado的仿真配置，右击SIMULATION 中的Simulation Settings；

2，设置成需要的仿真时间，这里设置成50ms，单击OK；

3，添加激励测试文件，点击Project Manager下的Add Sources图标；
4，选择Add or create simulation sources，点击Next；

5，点击Create File生成仿真激励文件；

在弹出的对话框中输入激励文件的名字，这里为vtf_led_test，点击Finish，点击OK，点击Yes；

6，编写仿真程序，control+s保存好代码；

`timescale 1ns / 1ps
module vtf_LED_test;
    reg sys_clk;
    reg rst_n;
    wire [3:0] led;
    
    LED_test uut
    (
        .sys_clk(sys_clk),
        .rst_n(rst_n),
        .led(led)
    );
    initial begin
        sys_clk = 0;
        rst_n = 0;
       
       #1000;
       rst_n = 1;
       #20000;
    end
    always #10  sys_clk = ~sys_clk;
endmodule
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7，点击Run Simulation，再选择Run Behavioral Simulation,这里做一下行为级的仿真；

8，在弹出的仿真界面中可以选择双击uut，将timer拖动到Wave中观测timer的波形；

9，点击图标Restart复位一下，再点击Run All，可以看到仿真波形与设计相符；

4.5，下载和Flash固化

经过前面的编译和仿真，我们可以把bit文件下载到FPGA芯片中，看一下实际运行效果，下载程序之前先连接硬件，JTAG和开发板连接，开发板连接电源上电。

1，右击PROGRAM AND DEBUG ，单击Bitstream Setting；

2，选择生成bin文件，点击OK，生成的bin文件在后面固化程序到Flash中会用到；

3，单击Generate Bitstream生成bit和bin文件；

4，点击Open Hardware Manager，点击Open Target->Auto Councet，在hardware界面下会显示xc7a35t_0图标，说明JTAG连接成功；

5，右键xc7a35t_0，选择Program Device，选择led_test生成的bit文件，点击Program烧写FPGA【掉电程序丢失】

6，右键xc7a35t_0，选择Add Configruation Memory Device，在弹出的对话框选择正确的FLASH型号，点击OK【掉电程序不丢失】；

7，提示是否对SPI FLASH进行编程，点击OK，在弹出的窗口中，Configration file选择vivado生成的bin文件【文件默认在imp1_1目录下】，点击OK；

8，想加快上电后程序启动，可以在xdc文件添加以下几行代码，目的是为了提高SPI FLASH的读写时钟，其中前面两条设置QSPI FLASH的数据宽度和配置模式，后面一条是配置速度，这个值越大，速度越快。修改好的xdc文件需要重新编译，再次重新生成bit和bin文件。

set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
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