跟着逻辑先生学习FPGA-实战篇第一课 6-1 LED灯闪烁实验

硬件平台：征战Pro开发板
软件平台：Vivado2018.3
仿真软件：Modelsim10.6d
文本编译器：Notepad++

征战Pro开发板资料
链接:https://pan.baidu.com/s/1AIcnaGBpNLgFT8GG1yC-cA?pwd=x3u8
提取码:x3u8

1 知识背景

LED，又名发光二极管。 LED 灯工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光），抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。由于这些优点， LED 灯被广泛用在仪器仪表中作指示灯、 液晶屏背光源等诸多领域。
不同材料的发光二极管可以发出红、 橙、 黄、 绿、 青、蓝、 紫、白这八种颜色的光。 图 6-1-1 左边是可以发出黄、红、蓝三种颜色的直插型二极管实物图，这种二极管长的一端是阳极，短的一端是阴极。 图 6-1-1 右边是开发板上用的贴片二极管实物图。 贴片二极管的正面一般都有颜色标记，有标记的那端就是阴极。

图6-1- 1发光二极管实物图
发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性。给它加上阳极正向电压后，通过 5mA 左右的电流就可以使二极管发光。通过二极管的电流越大，发出的光亮度越强。不过我们一般将电流限定在 3~20mA 之间，否则电流过大就会烧坏二极管。

2 实验任务

本节实验任务是征战 Pro 开发版上的 LED3以固定的频率闪烁。

3 硬件设计

扩展知识点：
位号就是元器件的“身份证”，我们可以通过 PCB 板上的丝印找到对应的器件。
网络名是一种连线，相同的网络名就表示连接在一起。当原理图比较简单的时候我们可以通过画线将管脚与管脚连接起来，那如果我们的原理图非常复杂时，用画线这种方式就不现实了，满屏的连线根本无法保证设计的准确性，所以用网络名来表示就非常方便了，这个知识大家在学习原理图和 PCB 设计时会涉及到，此处我们一笔带过。

3.1 原理图分析

板载了 8 个用户 LED 灯，LED 灯的正极接的 FPGA 管脚，负极接地。当 FPGA 管脚输出高电平时，发光二极管的正负极有电压差，便会产生电流流过发光二极管，从而点亮 LED 灯；当 FPGA 管脚输出低电平时，发光二极管正负极没有电压差，也不会产生电流，LED 灯熄灭。我们选用位号为 LED3 的 LED 来做为本实验的外设 LED 灯。通过图 6-1-2，图 6-1-3 我们可以看到灯 LED3 的管脚与 FPGA 的管脚 M22 连接在一起。
复位按键我们用开发板上的 SW1，通过图 6-1-4 可知，当按键按下时， SW1 的管脚 1 和管脚 2 导通，信号KEY0就为低电平；当松开按键时，KEY0 被上拉到 VCCIO （VCCIO 默认等于3.3V），即为高电平。至于 KEY0 与 FPGA 哪个管脚连接在一起，读者可以尝试自已在原理图上去找，会看原理图是 FPGA 工程师最基本的技能噢！

图6-1- 2 LED灯原理图

图6-1- 3 FPGA管脚图

图6-1- 4 按键原理图

3.2 管脚映射表

本实验中，系统时钟、按键复位以及 LED 端口的管脚分配如下表所示：
表6-1- 1管脚映射表

同学们可能会好奇，为什么原理图中的网络名不和程序中的信号名一致呢？这是因为一般有两个原因：
1. 在公司里面，设计硬件的工程师和设计软件的工程师并不是同一个人，每个人的命名习惯不同，所以就会命名不一样的情况，
2. 硬件上的器件功能和软件上的功能并不一样。比如我们的按键 SW1，在硬件上它就是一个按键，但是在软件设计中，我们可以认为它是复位管脚，也可以认为它是控制管脚，所以原理图中的网络名和程序中的信号名没办法统一。
这种情况是很常见的，只要同学们掌握了原理，这个命名随便怎么变我们都知道如何去约束 FPGA 管脚。

3.3 编写XDC 约束文件

下面我们以 clk 时钟引脚为例， 简要介绍 xdc 文件的语法。第一行以“#”号开头，表示这是一条注释语句。第二行是有效的约束命令。每一个约束命令单独占用一行，命令的结尾没有如 verilog 中的分号“;”一样的语句结束符号。每一条注释也单独占用一行。命令的第一个关键字代表该命令的名称，其后的所有字段都是该命令的参数列表。例如，在第二行的时钟周期约束命令中，“create_clock”是该命令的名称，它会创建一个时钟；其后的“-name clk”、“ -period 20”、“[get_ports clk ]”都是该命令的各个参数，分别表示所创见的时钟的的名称是“clk”、时钟周期是 20ns、时钟源是 clk 引脚。
第 4 行至第 6 行是对 IO 管脚的引脚位置约束和电平标准约束。例如，在第 4 行中，“set_property”是命令的名称；“PACKAGE_PIN Y18”是引脚位置参数，代表引脚位置是 Y18； “IOSTANDARD LVCMOS33”代表该引脚所使用的电平标准是LVCMOS33。
其他 IO 引脚的约束命令的语法与 clk 引脚是相同的，这里就不再重复了。但是要注意， create_clock 约束命令只能在 clk 时钟引脚上使用，其他普通 IO 上不能使用 create_clock 约束命令。
在 Notpepad++ 中编辑好之后，一定要记得保存！！！

扩展知识点：
时序约束（Timing Constraints） 用来描述设计人员对时序的要求，比如时钟频率，输入输出的延时等，以满足设计的时序要求。那么为什么工程中需要添加时序约束呢？ 对于这个原因，首先给大家说明下，如果有些设计工程不加时序约束，可能会出现功能错误，这个地方加了“可能” 两个字，也就是说不一定会出错，有可能某一次编译功能没有问题，下一次编译就出现功能问题。
对时钟的约束最简单的理解就是，设计者需要告诉 EDA 工具设计中所使用的时钟的频率是多少；然后工具才能按照所要求的时钟频率去优化布局布线，使设计能够在要求的时钟频率下正常工作。 本次实验 clk 的时钟频率为 50MHz，周期为 20ns，在做约束时可以等于这个值或者略低于这个值，不建议周期设置的太小，否则软件在布局布线时很难满足这个要求。
其实对于比较简单的设计，即使不对工程做时序约束，可能也不影响最终的功能。但是当设计变得复杂起来，或者输入的时钟频率比较高的时候，如果不添加时序约束，那么就有可能在验证设计结果的时候出现一些意料之外的情况。所以这里推荐大家无论简单或者复杂的实验，都对工程做时序约束。时序约束的内容非常多，这里不再展开介绍，这里只对输入时钟做周期约束，约束的方法是在 XDC 文件中添加如下语句：
create_clock -period 20.000 -name clk [get_ports clk]
“create_clock”是该命令的名称，它会创建一个时钟；其后的“-name sys_clk” 、 “ -period 20”、“ [get_ports clk ]”都是该命令的各个参数，分别表示所创建时钟的名称是“clk”、时钟周期是20ns、时钟源是 clk 端口，一般只对输入的时钟做周期约束。

4 程序设计

由于发光二极管的阳极与 FPGA 的管脚相连，只需要改变与 LED 灯相连的 FPGA 管脚的电平， LED 灯的亮灭状态就会发生变化。当 FPGA 管脚为高电平时， LED 灯点亮； 为低电平时， LED 灯熄灭。
其中，计数器对 50MHz 时钟进行计数，从而达到计时的目的。计数器在每次计时到 0.5秒之后清零，然后重新开始计数，计数的值用于控制 LED 的显示状态。当计数器的值等于 0 时，就把 LED 信号取反。代码如下所示：

本程序中输入时钟为 50MHz，所以一个时钟周期为 20ns（1 / 50MHz）。因此计数器 cnt 通过对 50MHz 系统时钟计数， 计时到 0.5S， 需要累加 0.5s / 20ns=2500_0000 次。 在代码第 27行，每当计时到 0.5s 计数器清零一次。同时，在代码的第 37 行，根据计数器的计数值来赋值 LED 的状态。当计数值等于 0 时，led 进行取反操作，这样就实现了每 0.5s，led 信号翻转一次，以此实现 LED 灯闪烁功能。
疑问 ：代码第 16 行， cnt 寄存器位宽为什么要设置成[24:0]呢？这是因为 cnt 最大计数值是 24999999，我们用计算器将其转成十六进制，如下图：

图6-1- 5 windows计算器界面

从上图右边我们可以看到总共是 25 位。
注 ：代码 8 行，我们可以看到都在寄存器后面赋了初值，这不是必须的，但是建议同学们加上，因为一些央企研究所等单位的代码需要做评测，测评单位会要求给寄存器赋初值，笔者曾经经历过。

5 仿真验证

对 RTL 代码进行仿真之前，我们首先需要编写实验对应的仿真文件（TestBench）。 TestBench 是用于验证功能模块的设计是否符合预期，其内容主要分为以下三个步骤：
1、 向被测功能模块的输入接口添加激励
2、 对被测功能模块的顶层接口进行信号例化
3、 判断被测功能模块的输出是否满足设计预期

5.1 led灯闪烁模块（led_shark）仿真

5.1.1 仿真激励代码编写

接下来在Sim 中新建一个 tb_led_shark.v仿真测试文件，接下来右击“tb_led_shark.v”文件使用“ Notepad++”工具打开“tb_led_shark.v”文件，就可以开始编写仿真代码了。

为了节约仿真时间，更快地看到仿真现象，我们在仿真激励文件的第 23 行将 led_shark模块中的 TIME_0S5 进行重新定义赋值。
TB 模块编写完成后就可以使用仿真软件对我们编写的 RTL 代码进行仿真了，本次实验我们用Modelsim 软件来进行仿真。

5.1.2 批处理仿真

Modelsim仿真一般有两种方法，第一种是图形化界面仿真，即所有的操作都是在 Modelsim软件界面上来完成，其它友商都是用的这种方式。做为一个工作了十多年的工程师来说，实在不想使用图形化界面一步一步的去操作软件，不仅步骤繁琐而且没有任何技术含量。那有没有一种一键仿真的方式呢？读者朋友别急，我们即将为大家安排批处理仿真（全网首家使用该方式），更快捷，更贴近实际工程。相信读者学会了这种仿真方式，其它的仿真都不香了！接下来，我将手把手的教大家使用批处理仿真。
先来看看我们仿真文件夹的构成，如下图：

图6-1- 6 仿真文件夹Sim构成
tb_led_shark.v 就是我们的仿真测试代码
do 文件夹里面存放的就是我们的批处理文件，如下图：

图6-1- 7 do文件夹构成

我们打开 modelsim.bat 文件，选中 modelsim.bat，鼠标右键用 notepad++ 打开，打开后如下图：

图6-1- 8 modelsim.bat文件
第 2 行中，指定了 modelsim 的 vsim.exe 文件路径，读者只用将路径改为自己电脑存放vsim.exe 的位置（vsim.exe 文件在 modelsim 的安装路径下），改好以后，保存即可。
接着我们打开 sim.do 文件，同样用 notepad++ 打开，如下图所示：

图6-1- 9 sim.do文件

第二行：用于指定源码的位置，只要大家的工程结构和我们的一致，此处就不用更改
第三行：用于指定仿真代码的位置，只要大家的工程结构和我们的一致，此处就不用更改
第五行：仿真 tb_led_shark 这个仿真代码（就是我们前面编写的仿真代码）
第八行：调用波形文件，当我们还未开始仿真时，文件夹里面没有这个wave.do文件，仿真开始后，我们在波形窗口中加入要观察的信号后，按下 ctrl+s 就会生成一个 wave.do 文件，再下一次运行时，会自动加载上次观察的信号。
第九行：仿真运行时间
第十行：停止仿真
modelsim.bat 和 sim.do 文件修改好以后，就可以开始仿真了。
步骤1：直接鼠标双击 modelsim.bat 文件，如下图所示：

图6-1- 10 批处理仿真步骤1

步骤2：添加波形文件，选中被仿真的模块（led_shark），鼠标右键，然后选择 Add Wave，如下图所示：

图6-1- 11批处理仿真步骤2-1

这时我们可以看到波形窗口出现了我们添加的信号，如下图所示：

图6-1- 12批处理仿真步骤2-2
步骤3：保存添加的信号，按 CTRL+S ，出现如下对话框

图6-1- 13批处理仿真步骤3

默认会将 wave.do 文件保存在 do 文件夹下，直接点击 OK
步骤4：此时回到图 6-1-10 界面，在命令窗口输入 do sim.do ，如下图所示：

图6-1- 14批处理仿真步骤4-1
然后按下键盘上的 ENTER 键，modelsim 就开始编译仿真了，这时我们可以看到波形窗口出现了波形，如下图所示：

图6-1- 15批处理仿真步骤4-2
此时，我们可以按上面的图标，将波形缩小至全屏。波形的放大和缩小可通过按住 CTRL 键，滚动鼠标滚轮实现。
如果我们修改了代码，只用在图 6-1- 14 的命令窗口重新再输入 do sim.do 即可。

5.1.3 仿真波形分析

我们将仿真波形放大，如下图所示：

图6-1- 16仿真波形图

从上图可以看到， 计数器 cnt 的值在 0 到 9之间循环计数。当 cnt = 0 时， led 信号翻转，实现 LED 闪烁的效果。

6 综合编译

6.1 新建Vivado工程

毕竟笔者工作了十多年，再像前面《4-4 Vivado 使用初体验》章节那样使用Vivado软件，太繁琐了，我就以真正做项目的步骤生成bit文件。在前面我们已经将Source里面的源码（led_shark.v）和约束文件（pin.xdc）通过notepad++ 软件编辑好了，并且通过Modelsim进行了功能仿真，接下来我们新建Vivado工程。
步骤1：File --> Project --> New，然后点击Next

图6-1- 17 新建工程步骤1
步骤2：更改工程名及工程保存路径（注意：路径不能有中文字符），修改好以后，点击Next

图6-1- 18新建工程步骤2
步骤3：默认选择RTL Project即可，点击Next

图6-1- 19新建工程步骤3
步骤4：添加源文件（.v），点击Add Files，然后找到源文件存放的路径，将 .v 文件全部选中，点击OK

图6-1- 20 新建工程步骤4-1

图6-1- 21新建工程步骤4-2
步骤5：可以看到我们加入到工程的 .v 文件，点击Next

图6-1- 22新建工程步骤5
步骤6：添加约束文件（.xdc），点击Add Files

图6-1- 23新建工程步骤6
步骤7： 找到我们的管脚约束文件（pin.xdc），点击Next

图6-1- 24新建工程步骤7
步骤8： 选择器件xc7a35tfgg484-2，点击Next

图6-1- 25新建工程步骤8
步骤9：可以看到我们新建工程的总结，点击Finish即可

图6-1- 26新建工程步骤9
步骤10：可以看到新建工程的结构，包括了1个源码，1个约束文件，器件型号，如下图所示：

图6-1-27新建工程步骤10

6.2生成下载文件bit

我们直接生成bit文件，点击Generate Bitstream

图6-1- 28 生成bit文件
如果编译有错，我们就根据错误信息对我们的代码或约束文件进行修改，如果编译成功，如下图所示：

图6-1- 29 编译成功

7 下载验证

7.1 硬件连接

此时将 Xilinx 下载器一端连接电脑， 另一端与开发板上的 JTAG 下载口连接，开发板连接电源线，如下图所示：
图6-1- 30征战 Pro 开发板连接实物图

注意！一定要先把下载器的一端连接到了电脑、另一端连接了 JTAG 接口之后，再给开发板上电！否则，对开发板的 JTAG 接口进行带电热插拔，有一定概率会损坏 JTAG 接口！

7.2 下载bit文件

步骤1：点击“Flow Navigator”窗口中的“Open Hardware Manager”按钮，如下图所示：

图6-1- 31下载bit文件步骤1-1

图6-1- 32下载bit文件步骤1-2

步骤2：鼠标右击“xc7a35t_0”，在弹出的菜单中选择“Program Device”，如下图所示：

图6-1- 33下载bit文件步骤2

步骤3：在弹出的对话框中直接点击“Program”即可，如下图所示：

图6-1- 34下载bit文件步骤3

下载完成之后，我们可以看到位于开发板上的 LED 灯在不断地闪烁，如下图所示：

图6-1-34 实验现象

到此，我们第一实验已经完成，大家多练习，延伸！
大家发现数码管显示了乱码，这是正常现象，因为数码管的驱动芯片我们没有控制它，在数码管接口上就会有一个不定状态的电平，反应到数码管就是显示乱码，这个我们不用管，只用关心 Led 灯是否正常控制。