超详细FPGA新手小白入门点亮LED灯

Vivado软件的基本操作（以控制LED灯闪烁为例）

其实之前早已用过Vivado进行FPGA的开发学习，但由于每次都是浅尝辄止地学了一些时间，加上Vivado软件和FPGA开发流程的复杂性，长时间不用就会遗忘。因此今天还是简单地写个笔记记录一下Vivado软件的一些基本操作，实现一个“hello world工程”：控制LED灯的闪烁。

实验基于的版本是Vivado17.4，FPGA芯片是Xilinx的XC7Z100-2FFG900。

创建Vivado工程

（1）双击Vivado快捷方式启动Vivado。

（2）点击Create Project创建一个新工程。

（3）在弹出的建立新工程的向导中点击Next。

（4）在弹出的对话框中输入工程名和工程存放的目录，之后点击Next。

需要注意工程路径“Project location”不能有中文空格，路径名称也不能太长。由于默认勾选了“Create project subdirectory”选项，Vivado会在所选工程目录下自动创建一个与工程名同名的文件夹，用于存放工程内的各钟文件。 Vivado会自动管理工程文件夹内的各种工程文件，并创建相应的子目录。

（5）在工程类型中选择RTL Project，之后点击Next。

• “RTL Project”是指按照正常设计流程所选择的类型，这也是常用的一种类型，“ RTL Project”下的 Do not specify sources at this time”用于设置是否在创建工程向导的过程中添加设计文件，如果勾选后，则不创建或者添加设计文件；
• “Post synthesis Project”在导入第三方工具所产生的综合后网表时才选择；
• “I/O Planning Project”一般用于在开始RTL设计之前，创建一个用于早期IO规划和器件开发的空工程；
• “Imported Project” 用于从 ISE、 XST或 Synopsys Synplify导入现有的工程源文件；
• “Example Project”是指创建一个 Vivado提供的工程模板 。

（6）这里添加源文件界面直接点击Next，选择在创建完工程之后再创建和添加源文件。以及Target language选择Verilog（默认），但也可以使用VHDL，支持多语言混合编程。

（7）添加约束文件界面直接点击Next，即在创建完工程之后创建添加约束文件。

（8）接下来选择器件型号，这里根据大家自己的具体芯片型号去相应选择即可。选择完成后点击Next。

具体的ZYNQ命名规则如下图所示：

（9）进入工程概览界面，这个页面将之前几个步骤中的设置全部列了出来，供用户检查。确认无误后点击Finish完成工程的创建。

Vivado主界面介绍

（1）Flow Navigator：提供对命令和工具的访问，包含从输入到生成比特流的整个过程。

（2）数据窗口区域：默认情况下，这个区域显示与设计源文件和数据相关的信息，如：

• Sources窗口：显示层次结构（Hierarchy)、IP源文件（IP Sources）、库（Libraries）和编译顺序（Compile Order）的视图。
• Netlist窗口：提供分析后的（elaborated）或综合后的（synthesisized）逻辑设计的分层视图。

（3）Properties窗口：显示有关所选逻辑对象或器件资源的信息。

（4）工作空间（Workspace）：工作区显示了具有图形界面的窗口和需要更多屏幕空间的窗口，包括：

• 用于显示和编辑基于文本的文件和报告的Text Editor。
• 原理图（Schematic）窗口。
• 器件（Device）窗口。
• 封装（Package）窗口。

（5）结果区域窗口：在Vivado中所运行命令的状态和结果，显示在结果窗口区域内，这是一组子窗口的集合。子窗口的集合。在运行命令、生成消息、创建日志文件和报表文件时，相关信息将显示在此区域。默认情
况下，此区域包括以下窗口：

• Tcl Console：允许输入Tcl命令，并查看以前的命令和输出的历史记录。
• Messages：显示当前设计的所有信息，包括”Error”、” Critical Warning”、“Warning”等。
• Log：显示由综合、实现和仿真运行创建的日志文件。
• Reports：提供对整个设计流程中的活动运行所生成的报告的快速访问。
• Design Runs：管理当前工程的运行。

（6）主工具栏：提供了对Vivado中最常用命令的单击访问。

（7）主菜单：提供对Vivado命令的访问。常用的命令会一直显示(例如， File > Project > Open)，而其他命令只在设计活动时显示 (例如，Reports > ReportDRC)。

（8）窗口布局（Layout）选择器：提供预定义的窗口布局，以方便设计过程中的各种任务。布局选择器能够轻松地更改窗口布局，也可以使用菜单栏中的 “Layout”菜单来更改窗口布局。

创建Verilog输入文件

（1）点击左侧的Add Sources或者右侧的“+“号。

（2）选择Add or create design sources，之后点击Next。

（3）选择Create file。

（4）自己输入文件名，点击“OK”。

（5）点击Finish，会出现如下窗口。

此窗口用于设置源文件的模块名称和端口列表，Vivado会根据在此窗口中的设置，自动地在HDL源文
件中写入相应的verilog语句。我们手动输入代码，所以这里不作任何设置，直接点击 OK即可。

（6）在弹出的对话框中选择“Yes”。

（7）此时“Sources”窗口中就出现了我们刚刚创建的源文件，如下图所示。

（8）这时可直接双击打开这个.v文件进行Verilog代码的编写。由于Vivado自带的编辑器不是很好用，所以我这里配置了将vscode代替默认的编辑器（网上有详细教程，可以自己查一下，包括也可以替换成vim、notepad++等）。

这里定义了一个 32 位的寄存器timer, 用于循环计数 0~199999999(1 秒钟), 计数到 199999999(1秒)的时候, 寄存器 timer 变为0，并翻转四个LED。这样原来LED是灭的话，就会点亮，如果原来LED为亮的话，就会熄灭。由于输入时钟为 200MHz 的差分时钟，因此需要添加IBUFDS原语连接差分信号。

编写好代码后切记保存。

`timescale 1ns / 1ps

module led_twinkle(
    // 差分时钟输入
    input                sys_clk_p,
    input                sys_clk_n,
    input                rst_n,
    output reg  [3:0]    led
    );
    
    reg  [31:0]    timer_cnt;
    wire  sys_clk;

    IBUFDS # (
        .DIFF_TERM("FALSE"),
        .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),
        .IOSTANDAND("DEFAULT")
    ) IBUFDS_inst (
        .O(sys_clk),
        .I(sys_clk_p),
        .IB(sys_clk_n)
    );

    always @ (posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            led <= 4'd0;
            timer_cnt <= 32'd0;
        end
        else if (timer_cnt >= 32'd199_999_999) begin
             led <= ~led;
             timer_cnt <= 32'd0;
        end
        else begin
            led <= led;
            timer_cnt <= timer_cnt + 32'd1;
        end
    end
    
endmodule

功能仿真

在设计输入之后，设计综合前进行RTL级仿真，称为综合前仿真，也称为前仿真或功能仿真。前仿真也就是纯粹的功能仿真，主旨在于验证电路的功能是否符合设计要求，其特点是不考虑电路门延迟与线延迟。功能仿真需要的文件：

• 设计HDL源代码。
• 测试激励代码（TestBench）：根据设计要求输入/输出的激励程序，由于不需要进行综合，书写具有很大的灵活性。
• 仿真模型/库：根据设计内调用的器件供应商提供的模块而定，如：FIFO、ADD_SUB等。在使用Vivado Simulator时，仿真器所需的仿真模型/库是预编译好并集成在 Vivado中的，因此不需要进行额外的预编译操作，直接加载HDL设计和TestBench即可执行仿真。

（1）首先创建一个TestBench，点击左侧的Add Sources或者右侧的“+“号。

（2）在弹出的窗口中选择“ Add or Create Simulation Sources”，之后点击Next，如下图所示。

（3）在接下来的页面中点击Create File。

（4）在弹出的窗口中输入TestBench的文件名，TestBench源文件名称的后缀“tb”可以用来向用户示意该源文件是一个 TestBench源文件，仅用于仿真，并不能用于设计的综合和实现。

（5）点击OK后点击Finish。

（6）在弹出的自定义模块窗口中直接点击OK即可结束TestBench源文件的创建。

（7）编写.v文件代码。

代码第一行的timescale是Verilog语法中的不可综合语法，用于定义仿真的时间表示仿真的单位时间为1ns，精度为1ps，这是Xilinx官方推荐的仿真单位时间和精度。

`timescale 1ns / 1ps

module led_twinkle_tb;

    reg            sys_clk_p;
    wire           sys_clk_n;
    reg            rst_n;
    wire  [3:0]    led;

    led_twinkle u_led_twinkle (
        .sys_clk_p(sys_clk_p),
        .sys_clk_n(sys_clk_n),
        .rst_n(rst_n),
        .led(led)
    );

    initial begin
        sys_clk_p = 0;
        rst_n = 0;
        #1000;
        rst_n = 1;
    end

    always #2.5 sys_clk_p = ~sys_clk_p;

    assign sys_clk_n = ~sys_clk_p;

endmodule

（8）在“Flow Navigator“窗口中点击“Run Simulation”并选择 “Run Behavioral Simulation”。

（9）之后就进入了仿真界面。

①Scope窗口：Scope（范围）是HDL设计的层次划分。在Scope窗口中，可以看到设计层次结构。当选择了一个Scope层次结构中的作用域时，该作用域内的所有 HDL对象，包括reg、wire等都会出现在“Objects”窗口中。可以在 “Objects”窗口中选择HDL对象，并将它们添加到波形查看器中。

②Object窗口：“Objects”窗口会显示在Scopes”窗口中选择的范围内的所有HDL仿真对象。例如，在Scope窗口中选择顶层模块“led_twinkle”，在“Objects”窗口中就会自动显示出led_twinkle模块中所有的对象。如下图所示：

③波形窗口：用于显示所要观察信号的波形。若要向波形窗口添加单个HDL对象或多个HDL对象，可以在“Objects”窗口中，右键单击一个或多个对象，然后从下拉菜单中选择“Add to Wave Window”选项。例如，可以把 “led_twinkle”模块 下的“timer_ cnt”计数器添加到波形窗口中。

④仿真工具栏：仿真工具栏包含运行各个仿真动作的命令按钮。从左至右依次是：

• Restart：将仿真时间重置为零，此时波形窗口中原有的波形都会被清除。下次执行仿真时，会从0时刻重新开始。

• Run all：运行仿真，直到其完成所有事件或遇到 HDL语句中的$stop或$finish命令为止。注意，如果没有在 TestBench语句中加入$stop或$finish命令，当点击Run all命令时，仿真器会无休止地一直仿真下去，除非用户点击仿真工具栏中的“ Break”按钮来手动地结束仿真。但是这里有个地方需要注意，如果此时需要仿真的设计比较复杂，则仿真器在运行仿真时会耗费电脑大量的CPU和内存资源，此时有可能会造成电脑卡顿甚至死机的情况。所以，如果设计比较复杂，且没有在 TestBench语句中加入 $stop或$finish命令，最好不要轻易点击 Run all命令。

• Run For：运行特定的一段时间。紧随在后面的两个文本框用于设定仿真时长的数值大小和时间单位。

• Step：按步运行仿真，每一步仿真一个HDL语句。

• Break：暂停当前仿真。

• Relaunch ：重新编译仿真源并重新启动仿真。

• 源代码进行修改。在修改完 HDL源代码后，如果需要修改HDL代码，可以点击Relaunch按钮来重新加载UUT设计和 TestBench，以重新对修改后的HDL源代码进行仿真。此时就不需要再关闭并重新打开仿真器了。

在刚打开仿真器时，仿真器会首先将TestBench中的信号加入到波形窗口中 ，并执行一段时长的仿真。仿真的时长由Settings设置窗口中的参数值指定，如下图所示：

可以看到，仿真器启动后默认立即执行的仿真时长是1000ns。由于我们是在默认立即执行仿真结束之后，才加入了“timer_cnt”计数器信号，所以新加入的”timer_cnt“信号并没有波形。此时我们需要将仿真时刻重置为0，重新开始仿真。点击Restart按钮，波形窗口中的当前仿真时刻点（黄色标尺）就会回归到0ns，且原先的所有波形都被清除，如下图所示：

点击仿真工具栏中的Run For按钮，默认仿真时长是10us，此时就可以看到波形窗口中就出现了波形。

分析与综合

（1）点击“Flow Navigator”窗口中的“Open Elaborated Design”按钮。此时，Vivado会编译RTL源文件并进行全面的语法检查，并在Messages窗口中给出相应的“Error”和“Warning”。

（2）打开分析后 Elaborated的设计后Vivado会生成顶层原理图视图，并在默认view layout中显示设计，如下图所示：

（3）将打开的分析后的设计关闭，再点击“Flow Navigator”窗口中的“Run Synthesis”按钮进行综合。

（4）在弹出的窗口中点击"OK"。

（5）综合完成后弹出如下窗口，直接关闭即可。

约束输入

（1）首先需要创建一个用于存储约束语句的约束文件。点击“Sources”窗口中的 “+”号，在弹出的窗口选择“ Add or create constraints”，如下图所示，点击“Next”：

（2）点击“Create File”。

（3）在弹出的对话框中输入约束文件的名称“led_twinkle”，然后点击 OK。

（4）点击“Finish”即可。

Vivado的约束文件是以“.xdc”为文件后缀的ASCII文本文件，其中存储的是一条条的xdc约束命令。

点开此文件，输入如下内容：

set_property PACKAGE_PIN AJ16 [get_ports {led[0]}]
set_property PACKAGE_PIN AK16 [get_ports {led[1]}]
set_property PACKAGE_PIN AE16 [get_ports {led[2]}]
set_property PACKAGE_PIN AE15 [get_ports {led[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[3]}]
set_property PACKAGE_PIN AF18 [get_ports rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]
set_property PACKAGE_PIN F9 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]

create_clock -period 5.000 -name sys_clk_p -waveform {0.000 2.500} [get_ports sys_clk_p]

普通 IO 口只需约束引脚号和电压，管脚约束如下：

set_property PACKAGE_PIN “引脚编号” [get_ports “端口名称”]

电平信号的约束如下：

set_property IOSTANDARD “电平标准” [get_ports “端口名称”]

这里需要注意文字的大小写，端口名称是数组的话用{ }括起来，端口名称必须和源代码中的名字一致，且端口名字不能和关键字一样。

电平标准中“LVCMOS33”后面的数字指FPGA的BANK 电压，LED所在BANK电压为3.3伏，所以电平标准为“LVCMOS33”。Vivado 默认要求为所有 IO 分配正确的电平标准和管脚编号。

对于xdc文件，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。

设计实现

（1）约束输入完毕之后，就可以开始实现设计了。点击“Flow Navigator”窗口中的”Run Implementation”按钮。

（2）在弹出的界面选择OK。

可以看到实现正在进行。

（3）直接关闭实现完成后的提示窗口。

再次查看“Design Runs”窗口中的实现结果，发现时序要求都已满足，即没有报红，说明设计成功地在FPGA中完成了实现。

下载比特流

（1）生成用于下载到器件中的比特流文件，点击“Flow Navigator”窗口中的“Generate Bitstream”按钮。

（2）在弹出的窗口中直接点击OK。

此时可以看到“Design Runs”窗口中显示正在生成比特流：

（3）生成完成后，直接关闭提示窗口。

（4）开始下载比特流，点击“Flow Navigator”窗口中的“Open Hardware Manager”按钮。

（5）将开发板上电并接好JTAG接口，点击Open target中的Auto Connect（或Hardware中的此按钮）。

出现如下界面就表示 Vivado就已经和下载器连接成功了：

（6）右击xc7z100_1，在弹出的菜单中点击Program Device。

（7）在弹出的对话框中直接点Program即可。

下载成功后，可以观察到板子上的LED灯在不停地闪烁。

总结

至此使用Vivado开发FPGA实现一个简单的LED闪烁的流程就走完了，可以看到还是比较复杂的。之后还有Vivado中在线逻辑分析仪的使用、固化文件的生成等，就另起文章记录了。

参考

达芬奇之FPGA开发指南 V1.2

cource_s1_ALINX_ZYNQ(AX7Z100)开发平台FPGA教程V1.07文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-765120.html

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