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本文接續(xù)上一篇《FPGA雜記基礎(chǔ)篇》，繼續(xù)為大家分享IP例化和幾個(gè)基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的Demo工程。

IP例化

IP即是一個(gè)封裝好的模塊，集成在相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境里面，以安路的TD軟件為例，不同系列的芯片集成了不同的IP模塊，可以通過軟件例化調(diào)用。

以下是安路TD4.6.5集成的EF3L40CG332B的相關(guān)IP。

1.1 PLL&RAM

以例化PLL和RAM為例，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異步雙口 RAM。

讀寫時(shí)鐘都設(shè)置 100Mhz， 兩個(gè) RAM 為 RAMA 和RAMB， 深度為 1024，位寬為 8bit，寫入數(shù)據(jù)為 8bit，100Mhz 持續(xù)數(shù)據(jù)流， 當(dāng) RAMA被寫入 1024 字節(jié)數(shù)據(jù)后切換到寫 RAMB， RAMB 被寫入 1024 字節(jié)后切換 RAMA。以此循環(huán)類推。

當(dāng) RAMA 被寫入 1024 字節(jié)時(shí)， 給讀時(shí)序提供一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)讀取 RAMA 的數(shù)據(jù)， 讀取完 RAMA 的 1024 字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)， 切換讀 RAMB 以此類推。

這個(gè)工程的工程結(jié)構(gòu)如下圖：

首先EF3L40CG332B_DEV開發(fā)板提供了25Mhz的晶振時(shí)鐘輸入到EF3L40CG332B的時(shí)鐘管腳。

想要得到100Mhz的讀寫速率，需要先用PLL得到倍頻時(shí)鐘。

在tools目錄下點(diǎn)擊IP Generator進(jìn)入IP core頁面，并選擇PLL，輸入時(shí)鐘填入板子晶振25Mhz。

輸出時(shí)鐘填入所需要的100Mhz，并從C0輸出。

設(shè)置完成后，生成的module聲明如下（完整模塊可參考代碼）

再生成ram的IP模塊。

在IP core中選擇RAM。

Memory type選擇簡單雙口ram，memory size設(shè)置位寬8bit深度1024。

設(shè)置完成后，生成的module聲明如下。（完整模塊可參考代碼）

然后編寫頂層文件并且在頂層例化PLL和RAMA、RAMB。

頂層文件中主要是對(duì)ram的輸入口進(jìn)行時(shí)序操作，包括ramA、ramB的讀地址，寫地址、使能信號(hào)和輸入輸出數(shù)據(jù)，詳細(xì)代碼筆記中不再贅述，可以直接參考代碼。

可綜合模塊編寫完成后，編寫仿真模塊并使用仿真軟件進(jìn)行仿真。

由于本次工程使用到了安路的IP庫，因此也需要在modelsim中添加相應(yīng)的安路仿真庫，添加方法如下：

首先在modelsim的安裝目錄下面編輯modelsim的初始化文件modelsim.ini，右鍵屬性后，將它的只讀屬性取消，然后用文本文件（本工程使用的是notepad++）編輯。

在modelsim.ini的[library]列表下添加安路的仿真庫文件目錄，安路所有的仿真庫文件都在安路的編譯軟件TD安裝目錄下的sim文件夾中，此處將其所有的庫文件都復(fù)制進(jìn)了modelsim的文件夾里，若不復(fù)制，也可直接輸入安路文件夾的路徑。

保存后退出，打開modelsim并創(chuàng)建工程，編譯通過后，進(jìn)入仿真步驟，在simulate狀態(tài)欄下選擇start simulate，如下圖：

選擇后進(jìn)入到如下頁面：

選擇仿真的頂層并且關(guān)閉優(yōu)化選項(xiàng)。

同一個(gè)窗口打開libraries頁面并在search libraries欄右側(cè)選擇add，下拉列表選擇對(duì)應(yīng)的ef3的庫文件。

設(shè)置完成后點(diǎn)擊OK進(jìn)入仿真即可。

本次實(shí)驗(yàn)中遇見問題和調(diào)試如下：

01

剛開始pll沒有輸出信號(hào)，因此打開了pll查看波形發(fā)現(xiàn)pll波形如下：

發(fā)現(xiàn)是置位了reset信號(hào)導(dǎo)致的，查看代碼發(fā)現(xiàn)如下：

復(fù)位信號(hào)直接連接到了pll的置位信號(hào)，由于復(fù)位信號(hào)是低電平有效而置位信號(hào)是高電平有效，因此導(dǎo)致了pll一直處于復(fù)位的情況。更改后，直接將pll復(fù)位信號(hào)置0，代碼和仿真結(jié)果正常，如下所示：

02

PLL問題解決后，觀測數(shù)據(jù)整體讀寫情況。

初步觀測可以發(fā)現(xiàn)，rama讀使能信號(hào)只轉(zhuǎn)變了一次，而ramb的讀使能始終未能跳變，返回代碼查看發(fā)現(xiàn)：

邏輯判斷時(shí)未將rama的寫使能信號(hào)置1的條件寫出來。

ramb的寫使能同理：

修改后，代碼如下：

波形仿真如下：

粗看基本符合rama、ramb交替讀寫的功能，觀測rama、ramb時(shí)序交替細(xì)節(jié)。

在rama和ramb寫使能信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，發(fā)現(xiàn)空了一拍，再查看代碼，發(fā)現(xiàn)rama、ramb寫使能在條件判斷時(shí)，使用的判斷邏輯是不一樣的，導(dǎo)致ramb_wren的置位會(huì)在rama_wren置位后的下一拍進(jìn)行。

因此更改ramb_wren的判斷條件，使之與rama_wren的一樣，都以寫地址為條件判斷再仿真。

可觀測到，時(shí)序正常。

quick start & GPIO Demo

本次demo實(shí)現(xiàn)功能如下：FPGA控制LED D1閃爍，MCU控制LED D2常亮。

2.1 keil工程環(huán)境創(chuàng)建

創(chuàng)建文件夾目錄如下：

圖1

其中板級(jí)支持包直接由原廠提供。

先創(chuàng)建keil工程，打開keil，創(chuàng)建工程，保存在對(duì)應(yīng)的MCU→project目錄下。

器件選擇ARM cortex M3器件。

工程建好后，添加必要的BSP包中的文件如下，創(chuàng)建好后的工程目錄如左欄：

其中，startup組下的文件分別來自MCU\ELF2_BSP\Device\ELF2\Source和MCU\ELF2_BSP\Device\ELF2\Source\ARM目錄下；lib組的文件來自MCU\ELF2_BSP\Driver；log組文件保存在MCU\ELF2_BSP\Debug和MCU\ELF2_BSP\Debug\RTT目錄下。

新建main.c文件并保存在圖1所示的總文件目錄瀏覽的MCUàsrc文件夾下并添加main.c到工程main組中。

下面設(shè)置一些工程的環(huán)境，打開options for target對(duì)話框。

切換到user欄，設(shè)置如下參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)影響輸出keil工程的*.asm 和*.bin 文件，我們需要通過添加這兩條指令得到bin文件并最終提供給FPGA。

添加的語句分別如下：

fromelf -c -v -a --output=@P.asm Objects\%L

fromelf --bin --output=@P.bin Objects\%L

再切換到C++++++++/C++欄，設(shè)置頭文件路徑如下：

也可以直接添加如下目錄

．．＼ELF2_BSP;．．＼ELF2_BSP\CMSIS\Core\Include;．．＼ELF2_BSP\Debug;．．＼ELF2_BSP\Debug\RTT;．．＼ELF2_BSP\Driver;．．＼ELF2_BSP\Driver\regmap;．．＼ELF2_BSP\Device\ELF2\Include;．．＼ELF2_BSP\Device\ELF2\Source\ARM

其余設(shè)置如下圖：

添加分散加載文件elf2_example.sct（elf2_example.sct文件具體代碼可參考工程）

環(huán)境設(shè)置完畢后可以開始編寫工程代碼。

2.2 C代碼編輯

在main函數(shù)中編寫對(duì)GPIO的操作。

先對(duì)GPIO初始化結(jié)構(gòu)體賦值，再調(diào)用GPIO初始化函數(shù)，HAL_GPIO_WritePin函數(shù)對(duì)相應(yīng)的GPIO進(jìn)行高低賦值。

本次使用C代碼對(duì)GPIO1_0的操作是置低，GPIO1_0具體含義會(huì)在下一節(jié)（1.3）進(jìn)行說明。

2.3 TD工程創(chuàng)建和代碼編輯

打開TD4.6.5或其他版本創(chuàng)建新的工程。

保存在總目錄的FPGA→project目錄下，并選擇對(duì)應(yīng)的器件類型。

添加或者編輯源文件，本次工程模塊聲明如下：

其中hw_led是由FPGA邏輯控制的led，sw_led是由MCU代碼控制的led（即1.2中的gpio1_0）。hw_led的控制代碼如下，sw_led的控制代碼詳見1.2：

然后例化MCU和PLL，PLL例化主要得到輸入到MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘，例化過程略，這里貼上在頂層中調(diào)用的結(jié)果：

輸出的200M的時(shí)鐘接到MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘。

例化MCU界面如下：

如圖所示，MCU支持最大 32 個(gè)GPIO，其中低16位，即GPIO_L0~GPIO_L15是直接連接至pad的；而GPIOH0~GPIOH15則是通過FPGA連接至外部，因此，當(dāng)使用這16個(gè)GPIO的時(shí)候，需要在FPGA工程的管教約束文件中指定具體連接至哪個(gè)腳。

在例化MCU時(shí)，使用到哪個(gè)腳就可以打開對(duì)應(yīng)的開關(guān)，例如本例中，打開了L0、L1和H0，PPM_CLK，其中PPM_CLK是FPGA Fabric 輸入時(shí)鐘，連接至FPGA的PLL輸出clk200；L0、L1連接至PAD，觀察原理圖。

GPIO0和GPIO1連接的是調(diào)試口；最后H0連接至FPGA 中sw_led并通過管腳約束連接至LED D2。

工程的管教約束文件如下：

查開發(fā)板原理圖，D2連接至FPGA的16腳，且從原理圖可觀察，keil工程中對(duì)該GPIO的操作是置低，具體顯示是D2常亮。

設(shè)置完畢后，完成結(jié)果聲明如下：

并在頂層中調(diào)用：

2.4 下載

Keil和TD的工程都創(chuàng)建編寫完成后，編譯工程。其中，keil生成的工程bin文件需要與TD關(guān)聯(lián)并通過TD下載至芯片或開發(fā)板中。

關(guān)聯(lián)的步驟如下：

在HDL2Bit Flow欄右鍵選擇properties。

在generate bitstream的第六項(xiàng)instruct ram中選擇keil工程生成的bin文件的目錄（此時(shí)keil工程已經(jīng)編譯通過），并保存。

保存后，雙擊generate bitstream編譯TD工程，假如在選擇路徑前已經(jīng)編譯過TD工程了，需要右鍵選擇rerun重新編譯（注意：假如修改了keil的C文件而TD的HDL文件沒有變化，建議也rerun后再將文件下載至開發(fā)板）

下載：

板子現(xiàn)象如圖：

D1持續(xù)閃爍，D2常亮：

FPGA串口通信

本Demo案例基于安路的EF2M45LG48_MINI_DEV2開發(fā)板，通過測試板的uart口和PC機(jī)的uart口連接來形成一個(gè)閉環(huán)回路，即PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至FPGA測試板，F(xiàn)PGA接收并返回相同的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過PC機(jī)的串口調(diào)試助手調(diào)試查看。

3.1 UART協(xié)議

UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信，將數(shù)據(jù)在串行通信和并行通信間的傳輸轉(zhuǎn)換。通俗的講就是把多比特的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單比特的數(shù)據(jù)（tx端），或者把單比特的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多比特的數(shù)據(jù)（rx端）。工作原理是將數(shù)據(jù)的每個(gè) bit 一位接一位地傳輸。

rx，接收端，位寬為 1 比特， pc 機(jī)通過串口往 FPGA 發(fā) 8 比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA 通過串口線 rx 一位一位地接收，從最低位到最高位依次接收，最后在 FPGA 里面位拼接成8 比特?cái)?shù)據(jù)。

tx，發(fā)送端，位寬為 1 比特， FPGA 通過串口往 pc 機(jī)發(fā) 8 比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)， FPGA 把 8 比特?cái)?shù)據(jù)通過 tx 線一位一位的傳給 pc 機(jī)，從最低位到最高位依次發(fā)送，最后上位機(jī)通過串口助手把這一位一位的數(shù)據(jù)位拼接成 8 比特?cái)?shù)據(jù)。

注意點(diǎn)：

1、串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是從低位到高位。

2、在不發(fā)送或者不接收數(shù)據(jù)的情況下， rx 和 tx 處于空閑狀態(tài)，此時(shí) rx 和 tx 線都保持【高電平】，如果有數(shù)據(jù)傳遞，首先會(huì)有一個(gè)起始位0，然后是 8 比特的數(shù)據(jù)位，接著有 1 比特的停止位(高電平)，如果停止位以后不再發(fā)數(shù)據(jù)，將進(jìn)入空閑狀態(tài)，否則又將數(shù)據(jù)線拉低(進(jìn)入起始位狀態(tài))。

3、波特率計(jì)算：uart傳輸有不同的波特率，使用HDL語言描述時(shí)，通常使用計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)不同波特率的數(shù)據(jù)傳播。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與具體波特率有關(guān)，以常見的115200為例，假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘是25Mhz，則傳輸1bit所需要的時(shí)鐘周期為25 * 1000 *1000 /115200 = 217個(gè)，因此計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值即216（從0開始計(jì)數(shù)）。

3.2 模塊總框架

模塊的總體框架如下：

top層除了時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)的輸入，還有輸入信號(hào)rx和輸出信號(hào)tx，分別來自PC機(jī)和輸出到PC機(jī)，形成閉環(huán)。子模塊中，Rx信號(hào)再作為uart_rx模塊的輸入，經(jīng)過uart_rx模塊的處理，轉(zhuǎn)換成八位并行數(shù)據(jù)o_data輸出；對(duì)于uart_tx模塊，主要將輸入的i_data并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)再輸出到PC機(jī)。

3.3 代碼實(shí)現(xiàn)

1. Rx端

2.Tx端

3.4 頂層

3.5 仿真

本次仿真使用到了task語句，task語句通常在當(dāng)仿真時(shí)需要給輸入變量特定的輸入值時(shí)使用，例如本次仿真對(duì)rx端進(jìn)行賦值。

3.6 仿真結(jié)果及問題排查

Rx端：

整體波形如圖：

查看細(xì)節(jié)如下：

當(dāng)rx=1時(shí)，輸出的o_data并行數(shù)據(jù)在o_flag = 1（即表示傳輸結(jié)束）時(shí)也為1，結(jié)果正常。

Tx端：

整體波形如下：

上圖很明顯可以看出tx端傳輸有問題，當(dāng)tx發(fā)送起始位（即拉低）后，沒有將數(shù)據(jù)輸出。觀測其他信號(hào)波形，基本正常。可見問題大概率出現(xiàn)在tx賦值部分，一開始以為是發(fā)送數(shù)據(jù)位的條件判斷有問題，檢查代碼，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的判斷條件如下：

查看波形發(fā)現(xiàn)該條件可以被滿足。

后來查看起始位的發(fā)送條件時(shí)發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤：

起始位發(fā)送要與tx_en同步。假設(shè)條件使用tx_en判斷，則會(huì)比tx_en慢一拍。

另外，不能使用tx_en == 1'b1作為發(fā)送起始位的判斷條件，因?yàn)閠x_en 在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)一直為1，這樣tx端會(huì)恒為0，修改后代碼如下：

再觀察波形正常。

3.7 上板最終效果

代碼下載進(jìn)開發(fā)板后，在串口調(diào)試助手中可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)，如下：

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