【技术分享】FPGA杂记之基础篇二及Demo案例
发布时间2021-01-19
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前言
本文接续上一篇《FPGA杂记基础篇》，继续为大家分享IP例化和几个基于FPGA芯片实现的Demo工程。
IP例化
IP即是一个封装好的�？�，集成在相应的开发环境里面，以安路的TD软件为例，不同系列的芯片集成了不同的IP�？�，可以通过软件例化调用。
以下是安路TD4.6.5集成的EF3L40CG332B的相关IP。
1.1 PLL&RAM
以例化PLL和RAM为例，实现两个异步双口 RAM。
读写时钟都设置 100Mhz， 两个 RAM 为 RAMA 和RAMB， 深度为 1024，位宽为 8bit，写入数据为 8bit，100Mhz 持续数据流， 当 RAMA被写入 1024 字节数据后切换到写 RAMB， RAMB 被写入 1024 字节后切换 RAMA。以此循环类推。
当 RAMA 被写入 1024 字节时， 给读时序提供一个启动信号读取 RAMA 的数据， 读取完 RAMA 的 1024 字节数据时， 切换读 RAMB 以此类推。
这个工程的工程结构如下图：
首先EF3L40CG332B_DEV开发板提供了25Mhz的晶振时钟输入到EF3L40CG332B的时钟管脚。
想要得到100Mhz的读写速率，需要先用PLL得到倍频时钟。
在tools目录下点击IP Generator进入IP core页面，并选择PLL，输入时钟填入板子晶振25Mhz。
输出时钟填入所需要的100Mhz，并从C0输出。
设置完成后，生成的module声明如下（完整�？榭刹慰即耄�
再生成ram的IP�？�
在IP core中选择RAM
Memory type选择简单双口ram，memory size设置位宽8bit深度1024
设置完成后，生成的module声明如下（完整�？榭刹慰即耄�
然后编写顶层文件并且在顶层例化PLL和RAMA、RAMB。
顶层文件中主要是对ram的输入口进行时序操作，包括ramA、ramB的读地址，写地址、使能信号和输入输出数据，详细代码笔记中不再赘述，可以直接参考代码。
可综合�？楸嘈赐瓿珊�，编写仿真模块并使用仿真软件进行仿真。
由于本次工程使用到了安路的IP库，因此也需要在modelsim中添加相应的安路仿真库，添加方法如下：
首先在modelsim的安装目录下面编辑modelsim的初始化文件modelsim.ini，右键属性后，将它的只读属性取消，然后用文本文件（本工程使用的是notepad++）编辑。
在modelsim.ini的[library]列表下添加安路的仿真库文件目录，安路所有的仿真库文件都在安路的编译软件TD安装目录下的sim文件夹中，此处将其所有的库文件都复制进了modelsim的文件夹里，若不复制，也可直接输入安路文件夹的路径。
保存后退出，打开modelsim并创建工程，编译通过后，进入仿真步骤，在simulate状态栏下选择start simulate，如下图：
选择后进入到如下页面：
选择仿真的顶层并且关闭优化选项。
同一个窗口打开libraries页面并在search libraries栏右侧选择add，下拉列表选择对应的ef3的库文件。
设置完成后点击OK进入仿真即可。
本次实验中遇见问题和调试如下：
01
刚开始pll没有输出信号，因此打开了pll查看波形发现pll波形如下：
发现是置位了reset信号导致的，查看代码发现如下：
复位信号直接连接到了pll的置位信号，由于复位信号是低电平有效而置位信号是高电平有效，因此导致了pll一直处于复位的情况。更改后，直接将pll复位信号置0，代码和仿真结果正常，如下所示：
02
PLL问题解决后，观测数据整体读写情况。
初步观测可以发现，rama读使能信号只转变了一次，而ramb的读使能始终未能跳变，返回代码查看发现：
逻辑判断时未将rama的写使能信号置1的条件写出来。
ramb的写使能同理：
修改后，代码如下：
波形仿真如下：
粗看基本符合rama、ramb交替读写的功能，观测rama、ramb时序交替细节。
在rama和ramb写使能信号转换时，发现空了一拍，再查看代码，发现rama、ramb写使能在条件判断时，使用的判断逻辑是不一样的，导致ramb_wren的置位会在rama_wren置位后的下一拍进行。
因此更改ramb_wren的判断条件，使之与rama_wren的一样，都以写地址为条件判断再仿真。
可观测到，时序正常。
quick start & GPIO Demo
本次demo实现功能如下：FPGA控制LED D1闪烁，MCU控制LED D2常亮。
2.1 keil工程环境创建
创建文件夹目录如下：
图1
其中板级支持包直接由原厂提供。
先创建keil工程，打开keil，创建工程，保存在对应的MCU→project目录下。
器件选择ARM cortex M3器件。
工程建好后，添加必要的BSP包中的文件如下，创建好后的工程目录如左栏：
其中，startup组下的文件分别来自MCU\ELF2_BSP\Device\ELF2\Source和MCU\ELF2_BSP\Device\ELF2\Source\ARM目录下；lib组的文件来自MCU\ELF2_BSP\Driver；log组文件保存在MCU\ELF2_BSP\Debug和MCU\ELF2_BSP\Debug\RTT目录下。
新建main.c文件并保存在图1所示的总文件目录浏览的MCUàsrc文件夹下并添加main.c到工程main组中。
下面设置一些工程的环境，打开options for target对话框。
切换到user栏，设置如下参数，这些参数会影响输出keil工程的*.asm 和*.bin 文件，雷火首页需要通过添加这两条指令得到bin文件并最终提供给FPGA。
添加的语句分别如下：
fromelf -c -v -a --output=@P.asm Objects\%L
fromelf --bin --output=@P.bin Objects\%L
再切换到C/C++栏，设置头文件路径如下：
也可以直接添加如下目录
..\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
其余设置如下图：
添加分散加载文件elf2_example.sct（elf2_example.sct文件具体代码可参考工程）
环境设置完毕后可以开始编写工程代码。
2.2 C代码编辑
在main函数中编写对GPIO的操作。
先对GPIO初始化结构体赋值，再调用GPIO初始化函数，HAL_GPIO_WritePin函数对相应的GPIO进行高低赋值。
本次使用C代码对GPIO1_0的操作是置低，GPIO1_0具体含义会在下一节（1.3）进行说明。
2.3 TD工程创建和代码编辑
打开TD4.6.5或其他版本创建新的工程。
保存在总目录的FPGA→project目录下，并选择对应的器件类型。
添加或者编辑源文件，本次工程�？樯魅缦�：
其中hw_led是由FPGA逻辑控制的led，sw_led是由MCU代码控制的led（即1.2中的gpio1_0）。hw_led的控制代码如下，sw_led的控制代码详见1.2：
然后例化MCU和PLL，PLL例化主要得到输入到MCU的系统时钟，例化过程略，这里贴上在顶层中调用的结果：
输出的200M的时钟接到MCU的系统时钟。
例化MCU界面如下：
如图所示，MCU支持最大 32 个GPIO，其中低16位，即GPIO_L0~GPIO_L15是直接连接至pad的；而GPIOH0~GPIOH15则是通过FPGA连接至外部，因此，当使用这16个GPIO的时候，需要在FPGA工程的管教约束文件中指定具体连接至哪个脚。
在例化MCU时，使用到哪个脚就可以打开对应的开关，例如本例中，打开了L0、L1和H0，PPM_CLK，其中PPM_CLK是FPGA Fabric 输入时钟，连接至FPGA的PLL输出clk200；L0、L1连接至PAD，观察原理图。
GPIO0和GPIO1连接的是调试口；最后H0连接至FPGA 中sw_led并通过管脚约束连接至LED D2。
工程的管教约束文件如下：
查开发板原理图，D2连接至FPGA的16脚，且从原理图可观察，keil工程中对该GPIO的操作是置低，具体显示是D2常亮。
设置完毕后，完成结果声明如下：
并在顶层中调用：
2.4 下载
Keil和TD的工程都创建编写完成后，编译工程。其中，keil生成的工程bin文件需要与TD关联并通过TD下载至芯片或开发板中。
关联的步骤如下：
在HDL2Bit Flow栏右键选择properties。
在generate bitstream的第六项instruct ram中选择keil工程生成的bin文件的目录（此时keil工程已经编译通过），并保存。
保存后，双击generate bitstream编译TD工程，假如在选择路径前已经编译过TD工程了，需要右键选择rerun重新编译（注意：假如修改了keil的C文件而TD的HDL文件没有变化，建议也rerun后再将文件下载至开发板）
下载：
板子现象如图：
D1持续闪烁，D2常亮：
FPGA串口通信
本Demo案例基于安路的EF2M45LG48_MINI_DEV2开发板，通过测试板的uart口和PC机的uart口连接来形成一个闭环回路，即PC机发送数据至FPGA测试板，FPGA接收并返回相同的数据。实验结果通过PC机的串口调试助手调试查看。
3.1 UART协议
UART 是一种通用串行数据总线，用于异步通信，将数据在串行通信和并行通信间的传输转换。通俗的讲就是把多比特的数据转化为单比特的数据（tx端），或者把单比特的数据转化为多比特的数据（rx端）。工作原理是将数据的每个 bit 一位接一位地传输。
rx，接收端，位宽为 1 比特， pc 机通过串口往 FPGA 发 8 比特数据时，FPGA 通过串口线 rx 一位一位地接收，从最低位到最高位依次接收，最后在 FPGA 里面位拼接成8 比特数据。
tx，发送端，位宽为 1 比特， FPGA 通过串口往 pc 机发 8 比特数据时， FPGA 把 8 比特数据通过 tx 线一位一位的传给 pc 机，从最低位到最高位依次发送，最后上位机通过串口助手把这一位一位的数据位拼接成 8 比特数据。
注意点：
1、串行数据的发送和接收都是从低位到高位。
2、在不发送或者不接收数据的情况下， rx 和 tx 处于空闲状态，此时 rx 和 tx 线都保持【高电平】，如果有数据传递，首先会有一个起始位0，然后是 8 比特的数据位，接着有 1 比特的停止位(高电平)，如果停止位以后不再发数据，将进入空闲状态，否则又将数据线拉低(进入起始位状态)。
3、波特率计算：uart传输有不同的波特率，使用HDL语言描述时，通常使用计数器来实现不同波特率的数据传播。计数器的计数值与具体波特率有关，以常见的115200为例，假设系统时钟是25Mhz，则传输1bit所需要的时钟周期为25 * 1000 *1000 /115200 = 217个，因此计数器计数值即216（从0开始计数）。
3.2 �？樽芸蚣�
�？榈淖芴蹇蚣苋缦�：
top层除了时钟和复位信号的输入，还有输入信号rx和输出信号tx，分别来自PC机和输出到PC机，形成闭环。子�？橹校琑x信号再作为uart_rx�？榈氖淙�，经过uart_rx�？榈拇�，转换成八位并行数据o_data输出；对于uart_tx�？�，主要将输入的i_data并行信号转换成串行数据再输出到PC机。
3.3 代码实现
1. Rx端
2.Tx端
3.4 顶层
3.5 仿真
本次仿真使用到了task语句，task语句通常在当仿真时需要给输入变量特定的输入值时使用，例如本次仿真对rx端进行赋值。
3.6 仿真结果及问题排查
Rx端：
整体波形如图：
查看细节如下：
当rx=1时，输出的o_data并行数据在o_flag = 1（即表示传输结束）时也为1，结果正常。
Tx端：
整体波形如下：
上图很明显可以看出tx端传输有问题，当tx发送起始位（即拉低）后，没有将数据输出。观测其他信号波形，基本正常。可见问题大概率出现在tx赋值部分，一开始以为是发送数据位的条件判断有问题，检查代码，数据传输时的判断条件如下：
查看波形发现该条件可以被满足。
后来查看起始位的发送条件时发现了错误：
起始位发送要与tx_en同步。假设条件使用tx_en判断，则会比tx_en慢一拍。
另外，不能使用tx_en == 1'b1作为发送起始位的判断条件，因为tx_en 在数据发送时一直为1，这样tx端会恒为0，修改后代码如下：
再观察波形正常。
3.7 上板最终效果
代码下载进开发板后，在串口调试助手中可以正常收发数据，如下：
