這篇文章來源于DevicePlus.com英語網站的翻譯稿。

引言

迄今為止，我們的嵌入式系統教程和項目已經使用了多塊微控制器開發板，比如不同型號的Arduino微控制器板。使用微控制器時，用戶將微控制器上的數字和模擬接口引腳連至受控外圍電子設備，然后，用戶上傳包含一系列指令的軟件，微控制器會循環執行這些指令。運行時，微控制器的核心處理器按照微控制器模塊的時鐘速率讀取并執行這些指令。因此，我們可以看到，在某一時刻，微控制器通常只運行一條指令。

對于許多嵌入式系統項目來說，尤其是那些在入門微控制器模塊（比如Arduino開發板）上實現的項目，這種單獨的指令執行并不影響性能。這是因為時鐘速度足夠快，以至于人類感官無法區分后續運行。然而，許多大型應用可能需要不同的操作并行運行，這就使得微控制器實現變得非常復雜或完全不可能。現場可編程門陣列（簡稱FPGA）是一種不同的計算平臺，由于其固有的不同功能方式，能夠實現微控制器無法實現的功能。

圖1：一塊Arduino微控制器開發板（左）和一塊Altera FPGA開發板（右）/ ?RobotShop & ?Waveshare

FPGA和微控制器的主要區別在于配置方法。用戶不需要像處理微控制器那樣上載一系列指令讓板載芯片解釋執行，而是直接配置FPGA的硬件。這意味著用戶為FPGA編寫的程序不是重復執行的一系列指令，而是如何配置內部硬件以執行不同任務的規劃。硬件以內部邏輯門和存儲單元的形式出現，最基本的級別就是多晶體管電路組合。

由于FPGA的項目實現實際上只是硬件連接，所以FPGA可以并行運行多個操作！想象一下，如果系統任務如下：讀取光敏電阻上的壓降；讀取霍爾效應傳感器的輸入；并通過UART連接與另一個設備進行通信。微控制器方案的程序流程圖可能如下所示：

請注意不同任務是串行完成的。而FPGA則可以使用不同電路分別執行三個任務，因此允許系統并行執行所有三個操作。因此，FPGA方案的項目實現原理將如下所示：

上述例子只是很簡單地解釋了微控制器方案與運行和FPGA方案與運行之間的區別，這一點很重要。實際上，FPGA的內部項目實現取決于項目本身，微控制器可能通過并行化執行指令來提高性能。關鍵的一點是這兩種架構實現相同任務的方式不同：微控制器串行執行指令，而FPGA則通過路由內部硬件實現功能行為。

許多FPGA開發板都可以當作入門模塊使用，比如Digilent和Xilinx出售的Arty和Basys開發板。在本教程中，我們將使用Embedded Micro的Mojo V3。這是一款低成本板卡，也可用作入門模塊。我個人比較喜歡Mojo開發板，比如Basys 3，因為它帶有大量可與外部電路連接的插頭引腳！此外，Embedded Micro還提供許多很棒的教程，幫助開發人員使用FPGA（請參考附錄中的鏈接）！

圖2：Mojo V3開發板/ ?Embedded Micro

在本教程中，我們從一個基本的輸入/輸出示例開始，向您介紹Mojo開發板的編程過程。在第2部分中，我們會為您準備一個更復雜的項目：硬件PWM實現！

本教程演示了如何使用Verilog硬件描述語言（稍后我們將詳細討論該語言）來配置Mojo！Verilog及其變體已經成為行業常用軟件，所以您通過 Mojo項目學到的知識也能應用到其他更高級的開發板上！

所需軟硬件如下：

硬件：

Mojo V3開發板

Micro USB電纜

Windows或Linux電腦（不幸的是，目前不支持Mac操作系統）

紅色LED

1 x 150?或類似電阻（用于LED限流）

2 x 10k?電阻（用于按鈕下拉）

面包板和跳線

軟件：

Mojo Loader（將設計實現上傳至FPGA）

ISE Design Suite（編寫和綜合Verilog代碼的IDE）

在下載頁面上向下滾動，直到看到標有“ISE Design Suite”的部分

Mojo 基本項目（所有項目都將以Mojo提供的該項目骨架為基礎）

比如說，我們想只有當兩個外部按鈕都按下時，才能點亮一個外部LED。首先，我們注意到這是一個數字系統，因為按鈕輸入電壓和LED輸出電壓只能取兩個值中的一個：0伏或3.3伏。我們可以用邏輯0表示0伏，用邏輯1表示3.3伏，從而對輸入端和輸出端的所有可能電壓值進行二進制編碼。實際上，1和0是“高”和“低”數字電壓信號的另一種表達方式。

下表總結了按鈕輸入的所有值和對應的LED輸出值：

熟悉布爾代數（研究二進制值和二進制值的不同運算）的人會把這個雙輸入單輸出系統看作與（AND ）門。與門的工作原理是只有當兩個輸入都是1時輸出才是1，這正是我們想要的按鈕和LED配置！許多邏輯門將輸出值定義為輸入值的函數。要查看所有邏輯門的信息，請點擊附件中的鏈接！

我們首先按下圖所示將按鈕和LED連至Mojo開發板：

圖3：Mojo開 發板連接一個LED和兩個按鈕的接線圖（通過Fritzing創建；Mojo Fritzing文件由Michael Earls制作）

我們現在可以對Mojo進行編程。啟動ISE并打開您下載的基礎項目。屏幕應該如下所示：

在窗口左側，您應該看到一個含有不同文件的層次結構。雙擊文件mojo_top.v。該文件中的Verilog代碼應該在屏幕右側彈出。

現在，我們簡單介紹一下Verilog語言及其文件結構。首先需要注意的是，Verilog不是傳統意義上的編程語言。如前所述，FPGA的內部硬件是可配置的。而Verilog語言則是設計人員和FPGA實現軟件（本文為ISE Design Suite）之間的接口。更具體地說，實現軟件讀取Verilog代碼并通過內部算法將其轉換成一系列邏輯門，從而實現代碼指定的功能。因此，Verilog被稱為硬件描述語言，簡稱HDL。

Verilog代碼分為相互作用的多個不同模塊——這些模塊類似于其他編程語言的函數。這些模塊可以有多個輸入和輸出，模塊內部的代碼會指定如何根據不同的輸入值驅動輸出。您可能會注意到，不同模塊可以分布在多個Verilog .v文件中。Mojo基礎項目包含幾個.v文件：AVR、SPI和串行功能。mojo_top.v文件是中心Verilog模塊，該模塊指定FPGA的主要行為。ISE足夠智能，能識別這是程序的中心（“主”）模塊。在屏幕左側的文件層次結構中，您會看到mojo_top.v文件位于列表頂部。

除Verilog .v文件外，您還會看到一個擴展名為.ucf的文件，該文件代表用戶約束文件（User Constraints File）。在這個文件中，用戶在他或她的項目中為輸入和輸出（I / O）連接指定名稱，并確定與這些信號相關的引腳和I/O標準。我們開始編輯這個文件。在左側瀏覽器中雙擊文件名，該文件會在右側的新選項卡中打開。

您會看到這個文件中已經存在幾條指令。這些指令指定了板上連接的名稱，比如板載LED和不同通信總線的連接。向下滾動至文件末尾，按鍵盤上的“Enter”鍵創建一個新行。我們要添加三條指令，分別對應兩個按鈕輸入引腳和一個LED輸出引腳。 我們要做的就是按照文件中其他指令的格式編寫新指令即可！

您可以復制文件中以“NET”開頭的任何一條指令，然后在文件底部粘貼三次，修改行首引號內的字符串以及“P”后面的數字。在本教程中，我們將使用14和21腳作為按鈕輸入，26腳作為LED輸出，因此我們應在文件底部添加以下指令：

NET “button_a” LOC = P14 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “button_b” LOC = P21 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “led_external” LOC = P26 | IOSTANDARD = LVTTL;

請確保您選擇的引腳不與UCF文件指定的引腳沖突。

現在您的UCF文件應該是這樣的：

現在我們已經指定項目的具體信號名稱及其關聯連接，我們可以編寫代碼，將LED輸出描述為按鈕輸入信號的函數。您可能已經猜到了，這需要修改mojo_top模塊。

模塊聲明部分的頂部是單詞“module”（模塊），然后是模塊名稱（本例中模塊名稱為mojo_top）以及模塊將要使用的輸入和輸出信號列表。我們需要將兩個按鈕信號名稱和LED信號名稱添加到該連接列表中，使得信號能夠成為輸入和輸出。要做到這一點，我們可以在信號列表末尾添加以下程序：

input button_a,

input button_b,

output led_external

現在，模塊頭應該是這樣的：

至此，我們已經為按鈕和外部LED聲明了信號名稱，并為這些信號分配了Mojo開發板I/O引腳，并且在Verilog中指定這些信號分別是輸入和輸出。現在，我們所要做的就是定義LED點亮的條件！更具體地說，我們需要指定發光二極管開啟（二進制1）和關閉（二進制0）的情況。

回想之前的討論，我提到LED的操作行為與布爾與（AND）函數完全相同。在Verilog中，我們用符號&&表示布爾與（AND）運算。我們想要將按鈕輸入的與函數結果分配給LED。實現此功能的Verilog代碼如下：

assign led_external = button_a && button_b;

將這行指令添加到模塊末尾就可以實現我們所需的行為。打開基礎項目時，我們會看到這行程序上方本來就存在許多程序行，這些程序設置了其他不同信號，比如板上SPI和板載LED信號，在本項目中我們不會使用這些信號。

現在，完整模塊應該是這樣的：

要對FPGA進行編程以實現我們指定的行為，我們必須生成一個編程文件，其格式為.bin文件。發出命令之后，ISE會綜合我們的設計（檢查錯誤并運行測試），然后實現設計（定義實現指定行為所需的內部門結構），并生成這個編程文件。要運行此過程，請雙擊左下窗口中的“Generate Programming File”（生成編程文件）按鈕。

在編程文件生成的過程中，ISE會發出幾條丟失網絡和/或未路由網絡的警告。這些警告對于此實現并不重要，不會影響我們對FPGA的編程。我們沒有使用UCF中指定的所有信號，所以ISE才會發出這些警告。

編程文件生成完成后，ISE會在我們剛才雙擊的按鈕旁邊添加一個綠色對號。

現在，我們所要做的就是將編程文件上傳到Mojo開發板上。首先，請確保按上圖所示將按鈕和LED連至Mojo的引腳。

其次，打開Mojo Loader軟件并選擇與Mojo相對應的USB端口。然后，選擇ISE生成的.bin文件。您必須導航至項目目錄下的/syn/文件夾。在Mojo Loader內打開.bin文件后，請點擊窗口右下方的“Load”（加載）按鈕。編程文件就開始向Mojo開發板上傳。

該過程完成后，您就可以測試您的設計了！只有按下兩個按鈕時，LED燈才會點亮。恭喜，您已經完成了您的第一個FPGA項目！我們還為您準備了一個更復雜的硬件PWM項目，敬請查看本教程的第2部分！

審核編輯：湯梓紅