【技術分享】FPGA雜記之基礎篇二及Demo案例
發布時間2021-01-19
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前言
本文接續上一篇《FPGA雜記基礎篇》，繼續為大家分享IP例化和幾個基于FPGA芯片實現的Demo工程。
IP例化
IP即是一個封裝好的?？椋稍諳嚶Φ目⒒肪忱錈媯?001老百匯網站的TD軟件為例，不同系列的芯片集成了不同的IP?？椋梢醞ü砑饔?。
以下是4001老百匯網站TD4.6.5集成的EF3L40CG332B的相關IP。
1.1 PLL&RAM
以例化PLL和RAM為例，實現兩個異步雙口 RAM。
讀寫時鐘都設置 100Mhz， 兩個 RAM 為 RAMA 和RAMB， 深度為 1024，位寬為 8bit，寫入數據為 8bit，100Mhz 持續數據流， 當 RAMA被寫入 1024 字節數據后切換到寫 RAMB， RAMB 被寫入 1024 字節后切換 RAMA。以此循環類推。
當 RAMA 被寫入 1024 字節時， 給讀時序提供一個啟動信號讀取 RAMA 的數據， 讀取完 RAMA 的 1024 字節數據時， 切換讀 RAMB 以此類推。
這個工程的工程結構如下圖：
首先EF3L40CG332B_DEV開發板提供了25Mhz的晶振時鐘輸入到EF3L40CG332B的時鐘管腳。
想要得到100Mhz的讀寫速率，需要先用PLL得到倍頻時鐘。
在tools目錄下點擊IP Generator進入IP core頁面，并選擇PLL，輸入時鐘填入板子晶振25Mhz。
輸出時鐘填入所需要的100Mhz，并從C0輸出。
設置完成后，生成的module聲明如下（完整?？榭剎慰即耄?/p>
再生成ram的IP?？?/p>
在IP core中選擇RAM
Memory type選擇簡單雙口ram，memory size設置位寬8bit深度1024
設置完成后，生成的module聲明如下（完整?？榭剎慰即耄?/p>
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ram的輸入口進行時序操作，包括ramA、ramB的讀地址，寫地址、使能信號和輸入輸出數據，詳細代碼筆記中不再贅述，可以直接參考代碼。
可綜合?？楸嘈賜瓿珊螅嘈捶掄婺？椴⑹褂梅掄嬡砑蟹掄妗?/p>
由于本次工程使用到了4001老百匯網站的IP庫，因此也需要在modelsim中添加相應的4001老百匯網站仿真庫，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4001老百匯網站的仿真庫文件目錄，4001老百匯網站所有的仿真庫文件都在4001老百匯網站的編譯軟件TD安裝目錄下的sim文件夾中，此處將其所有的庫文件都復制進了modelsim的文件夾里，若不復制，也可直接輸入4001老百匯網站文件夾的路徑。
保存后退出，打開modelsim并創建工程，編譯通過后，進入仿真步驟，在simulate狀態欄下選擇start simulate，如下圖：
選擇后進入到如下頁面：
選擇仿真的頂層并且關閉優化選項。
同一個窗口打開libraries頁面并在search libraries欄右側選擇add，下拉列表選擇對應的ef3的庫文件。
設置完成后點擊OK進入仿真即可。
本次實驗中遇見問題和調試如下：
01
剛開始pll沒有輸出信號，因此打開了pll查看波形發現pll波形如下：
發現是置位了reset信號導致的，查看代碼發現如下：
復位信號直接連接到了pll的置位信號，由于復位信號是低電平有效而置位信號是高電平有效，因此導致了pll一直處于復位的情況。更改后，直接將pll復位信號置0，代碼和仿真結果正常，如下所示：
02
PLL問題解決后，觀測數據整體讀寫情況。
初步觀測可以發現，rama讀使能信號只轉變了一次，而ramb的讀使能始終未能跳變，返回代碼查看發現：
邏輯判斷時未將rama的寫使能信號置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時序交替細節。
在rama和ramb寫使能信號轉換時，發現空了一拍，再查看代碼，發現rama、ramb寫使能在條件判斷時，使用的判斷邏輯是不一樣的，導致ramb_wren的置位會在rama_wren置位后的下一拍進行。
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，時序正常。
quick start & GPIO Demo
本次demo實現功能如下：FPGA控制LED D1閃爍，MCU控制LED D2常亮。
2.1 keil工程環境創建
創建文件夾目錄如下：
圖1
其中板級支持包直接由原廠提供。
先創建keil工程，打開keil，創建工程，保存在對應的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。
下面設置一些工程的環境，打開options for target對話框。
切換到user欄，設置如下參數，這些參數會影響輸出keil工程的*.asm 和*.bin 文件，4001老百匯網站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）
環境設置完畢后可以開始編寫工程代碼。
2.2 C代碼編輯
在main函數中編寫對GPIO的操作。
先對GPIO初始化結構體賦值，再調用GPIO初始化函數，HAL_GPIO_WritePin函數對相應的GPIO進行高低賦值。
本次使用C代碼對GPIO1_0的操作是置低，GPIO1_0具體含義會在下一節（1.3）進行說明。
2.3 TD工程創建和代碼編輯
打開TD4.6.5或其他版本創建新的工程。
保存在總目錄的FPGA→project目錄下，并選擇對應的器件類型。
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的系統時鐘，例化過程略，這里貼上在頂層中調用的結果：
輸出的200M的時鐘接到MCU的系統時鐘。
例化MCU界面如下：
如圖所示，MCU支持最大 32 個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，當使用這16個GPIO的時候，需要在FPGA工程的管教約束文件中指定具體連接至哪個腳。
在例化MCU時，使用到哪個腳就可以打開對應的開關，例如本例中，打開了L0、L1和H0，PPM_CLK，其中PPM_CLK是FPGA Fabric 輸入時鐘，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工程中對該GPIO的操作是置低，具體顯示是D2常亮。
設置完畢后，完成結果聲明如下：
并在頂層中調用：
2.4 下載
Keil和TD的工程都創建編寫完成后，編譯工程。其中，keil生成的工程bin文件需要與TD關聯并通過TD下載至芯片或開發板中。
關聯的步驟如下：
在HDL2Bit Flow欄右鍵選擇properties。
在generate bitstream的第六項instruct ram中選擇keil工程生成的bin文件的目錄（此時keil工程已經編譯通過），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板）
下載：
板子現象如圖：
D1持續閃爍，D2常亮：
FPGA串口通信
本Demo案例基于4001老百匯網站的EF2M45LG48_MINI_DEV2開發板，通過測試板的uart口和PC機的uart口連接來形成一個閉環回路，即PC機發送數據至FPGA測試板，FPGA接收并返回相同的數據。實驗結果通過PC機的串口調試助手調試查看。
3.1 UART協議
UART 是一種通用串行數據總線，用于異步通信，將數據在串行通信和并行通信間的傳輸轉換。通俗的講就是把多比特的數據轉化為單比特的數據（tx端），或者把單比特的數據轉化為多比特的數據（rx端）。工作原理是將數據的每個 bit 一位接一位地傳輸。
rx，接收端，位寬為 1 比特， pc 機通過串口往 FPGA 發 8 比特數據時，FPGA 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 比特數據。
tx，發送端，位寬為 1 比特， FPGA 通過串口往 pc 機發 8 比特數據時， FPGA 把 8 比特數據通過 tx 線一位一位的傳給 pc 機，從最低位到最高位依次發送，最后上位機通過串口助手把這一位一位的數據位拼接成 8 比特數據。
注意點：
1、串行數據的發送和接收都是從低位到高位。
2、在不發送或者不接收數據的情況下， rx 和 tx 處于空閑狀態，此時 rx 和 tx 線都保持【高電平】，如果有數據傳遞，首先會有一個起始位0，然后是 8 比特的數據位，接著有 1 比特的停止位(高電平)，如果停止位以后不再發數據，將進入空閑狀態，否則又將數據線拉低(進入起始位狀態)。
3、波特率計算：uart傳輸有不同的波特率，使用HDL語言描述時，通常使用計數器來實現不同波特率的數據傳播。計數器的計數值與具體波特率有關，以常見的115200為例，假設系統時鐘是25Mhz，則傳輸1bit所需要的時鐘周期為25 * 1000 *1000 /115200 = 217個，因此計數器計數值即216（從0開始計數）。
3.2 ?？樽蕓蚣?/strong>
?？櫚淖芴蹇蚣莧縵?：
top層除了時鐘和復位信號的輸入，還有輸入信號rx和輸出信號tx，分別來自PC機和輸出到PC機，形成閉環。子?？櫓校琑x信號再作為uart_rx?？櫚氖淙耄齯art_rx?？櫚拇恚懷砂宋徊⑿惺輔_data輸出；對于uart_tx?？椋饕淙氳膇_data并行信號轉換成串行數據再輸出到PC機。
3.3 代碼實現
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語句通常在當仿真時需要給輸入變量特定的輸入值時使用，例如本次仿真對rx端進行賦值。
3.6 仿真結果及問題排查
Rx端：
整體波形如圖：
查看細節如下：
當rx=1時，輸出的o_data并行數據在o_flag = 1（即表示傳輸結束）時也為1，結果正常。
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tx發送起始位（即拉低）后，沒有將數據輸出。觀測其他信號波形，基本正常。可見問題大概率出現在tx賦值部分，一開始以為是發送數據位的條件判斷有問題，檢查代碼，數據傳輸時的判斷條件如下：
查看波形發現該條件可以被滿足。
后來查看起始位的發送條件時發現了錯誤：
起始位發送要與tx_en同步。假設條件使用tx_en判斷，則會比tx_en慢一拍。
另外，不能使用tx_en == 1'b1作為發送起始位的判斷條件，因為tx_en 在數據發送時一直為1，這樣tx端會恒為0，修改后代碼如下：
再觀察波形正常。
3.7 上板最終效果
代碼下載進開發板后，在串口調試助手中可以正常收發數據，如下：
