FPGA设计全流程

TheWorld

第一章 Modelsim编译Xilinx库

本章介绍如何编译HDL必须的Xilinx库和结构仿真。
创建将被编译库的目录
/ C6 {8 r" J. ~/ F. ^) v- `在编译库之前,最好先建立一个目录（事实上必须建立一个目录）,步骤如下。（假设Modelsim的安装目录是“$Modeltech_6.0”,ISE的安装目录是“$Xilinx”）
& l, f% ~3 i1 W3 b8 h◆ 在“$Modeltech_6.0/”目录下建立一个名为XilinxLib的文件夹;
$ @! w4 R; K" @. D' E, Q5 p◆ 启动Modelsim后,从“File”菜单项中点击“Change Directory”并指定到刚刚建立的那个文件夹“XilinxLib”;
$ y: n. q8 L: N* q. B  W◆ 接下来要做的事情是将Xilinx库编译到“XilinxLib”文件夹中。有三个库需要被编译。它们分别是“simprims”,“unisims”和“XilinxCoreLib”;（所有这些库文件都在“$Xilinx/verilog/src”目录下）
% Z4 S! z* T. a◆ 点击Modelsim中的“Workspace”窗口,建立一个名为Xilinx_CoreLib的新库;（这个操作创建一个名为“Xilinx_CoreLib”的文件夹,你可以在“Workspace”窗口中看到它）
! W" P7 {  n* t7 d◆ 现在开始编译！在“Compile”菜单中点击“Compile”,选择“$Xinlinx/verilog/scr/XilinxCoreLib”目录中所有的文件,在弹出的对话框中选中刚刚建立的“Xilinx_CoreLib”文件夹,再点击“Compile”按钮就可以了编译了;

5 b5 k. W/ |+ z" ~◆ 用同样的方式编译其他两个本地库（“simprims”和“unisims”）;

第二章 调用Xilinx CORE-Generator

当需要在设计中生成参数化和免费的IP内核（黑箱子）时,无论是通过原理图方式还是HDL方式,CORE-Generator都是一个非常有用的程序。
利用CORE-Generator创建一个IP核
; c* p& Z# U2 J3 }' Y利用Xilinx提供的CORE-Generator来生成IP核是非常简单的。内核是全参数化的,这就意味着你只需要在空白处填入几个数字和参数,然后程序就会自动产生一个你所需要的

# A& v! i, T9 N( ^8 z/ P内核。（有些内核是全免费的,有些则没有这么慷慨）
. ?# o0 }& H, q# B4 e" `  t4 n0 S! _& r利用CORE-Generator来生成IP核的步骤如下：
◆ 在“程序”中找到“Xilinx”项,然后在“Accessories”中启动单独存在的“CORE-Generator”;
9 {' a6 d% h7 M, a) G) G$ e! h& n8 v◆ 在“Part”标签栏中选择恰当的FPGA模型;
8 W2 \+ {5 {* F6 Q
◆ 从“Generation”标签栏中选择正确的设计流;（完成后按“OK”按钮）
5 ]) S1 Q/ N3 o2 U4 x◆ 定制你的参数化内核;
9 l& J( _5 f, U: o4 z◆ 在内核生成的同时,会弹出一个“Readme File”的信息框来通知一些重要的信息;
! k2 N. S' L) o8 ^! M
◆ “*.v”文件是用来作仿真和综合用的,而“*.veo”文件是用来作综合实例用的。（调用意味着把相应的文件加入Synplify.Pro工程中,而实例指的是可以拷贝这个文件中的某些线到HDL设计的顶层模块中去。退出！）
6 k; b0 U' r5 k0 c$ @/ L
, I. A$ [3 d/ J0 @1 Z9 F! @+ x第三章 使用Synplify.Pro综合HDL和内核

综合是将设计好的HDL代码,图形代码和原理图转变成逻辑单元的技术。同与硬件执行和物理布线非常接近的物理综合相比,逻辑综合是更高层次的综合技术。
8 ]( h" u0 D4 O% Q7 U利用Synplify.Pro进行逻辑综合
Synplify.Pro对于大容量低价格的Xilinx Spartan系列FPGA而言,有着非常好的综合能力。
具体步骤如下：
◆ 首先创建一个工程;
◆ 往工程中加入HDL文件（我的演示文件有三个文件,CORE-Generator生成的“async_fifo.v”和“dcm4clk”和一个Verilog顶层文件“top.v”）。在Synplify.Pro环境中设置“Implementation Option”;（如果读者非常熟练的话,可以省略这步）
# |" X2 W! n. g, u◆ 往CORE-Generator生成的两个Verilog文件中插入Synplify.Pro能够识别的指示这些指示告诉综合器如何处理这两个特殊的文件;

◆ 插入“/*synthesis syn_black_box*/”指示通知Synplify.Pro把模块当作黑箱子来处理,同时指示“/*synthesis syn_isclock=1*/”表示这个作为时钟输入端的端口不能被综合器识别,因为它除了端口名外没有下层结构;
◆ 将工程保存在合适的地方,然后综合这个工程;
◆ 在综合完成后,选择“Technology View”按钮来观察层次结构;（你可以发现内核

' J) x/ g6 K- R: B7 S" X  t1 {  y4 H◆ 不管你相信与否！Synplify.Pro已经生成了你所希望的东西。（拥有专用Clock-Input-Buffer,IBUG连接的DCM结构,并且有一个从Global-Clock-Buffer,BUFG的反馈结构“CLKFB”）

; d$ l9 z" T- y, y第四章 综合后的项目执行

& ]4 E5 X* |6 V' K: l% X执行是将生成的位文件下载到FPGA的最后一个步骤。

同时创建不同的时序模型（post-translate模型,post-map模型和post-PAR模型）和时序报告。
ISE,唯一可以用来执行的工具
ISE控制着设计流的各个方面。通过Project Navigator界面,可以进入所有不同的设计实体和实际执行工具。同时也可以访问于工程有关的文件和文档。Project Navigator包含一个平坦的目录结构;
- ~$ [3 ?, d3 `% n' y* ~在演示项目中,ISE的一些贫乏的功能不得不让道给其他的第三方软件,例如ModelSim.Pro和Synplify.Pro,因此ISE一般仅仅被用作执行工具。
7 [+ o. I/ `1 i9 Q* @* u◆ 启动ISE,用“EDIF”作为文件输入;（“EDIF”文件由Synplify.Pro软件生成,作为终端设计文件,可以被大多数的FPGA开发环境识别,例如ISE,Quartus,ispLevel。）

) l- B+ u# a% t' i# @# H/ N. R- Z% D◆ 在建立了ISE工程后,可以加入其他两个文件,一个是与内核相关的“*.xco”文件,另一个是与DCM结构有关的“*.xaw”;
! D: B  e( J  \4 \8 y◆ 现在可以生成需要仿真的所有的模块;（点击下划红线的选项）
  R, L6 G6 e% y- F( l4 f# t◆ 如果想仿真post-PAR模块,最好首先定义引脚,特别是专用的外部时钟引脚;
2 U( @. N4 O7 N' z# ]◆ 启动“map”程序中的“Floorplaner”选项来定义引脚;
# B, }6 u# X! Y3 K◆ “DCMs”和“IBUFGs”应该被放在正确的位置。

/ [9 w( C* x9 j0 P2 m" d8 h仿真是用来验证设计的时序和功能是否正确的调试方法之一。
& e) [) f4 r8 W7 f在验证调试电路和观察波形的过程中,应该进行四个不同类型的仿真。
' b4 e; S6 q: k7 `; g0 o& D不同的仿真类型针对的不同的平台。功能仿真用来验证设计的功能是否正确;
post-translate仿真用来验证设计的基于原语延时;post-map仿真用来仿真基于原语延时和网络延时;最后,post-PAR仿真在post-map仿真的基础上加入了输入输出和布线延时。
2 s2 X4 q5 d- X" a' D$ ?我不会给出演示设计的全部详细的仿真过程,但是给出了重点和重要的步骤。只给出了post-PAR仿真过程,列出了对于所有其他三种仿真需要的不同文件。（实际上,不同的文件是不同的参考时序模型:<DesignName>_translate.v是post-translate模型,<DesignName>_map.v是post-map模型。）
, _& [( V9 v; r3 @- i: n◆ 对于post-PAR仿真,需要四种类型的文件,“glb1.v”是用来作FPGA全局复位的（从“$Xilinx/verilog/src”目录中拷贝）,“<DesignName>_timesim.v”用来作post-PAR仿真（必须命名为<DesignName>.v）,<TestBenchName.v>用来作仿真用和<DesignName>_timesim.sdf用来作时序后注。

◆ post-map仿真跟上述类似,post-translate没有“*.sdf”文件,功能仿真除了没有“*.sdf”文件外还没有“glb1.v”文件;
◆ 通过点击“Simulation”菜单下的“Start Simulation”命令把前面讨论过的三个Xilinx库文件加入到当前仿真库中;

& v- b) g* l% r; E/ }2 \◆ 在“Design”栏中选择“glb1”和“<TestbenchName>”,仿真设计;
◆ 在“Transcript”窗口中输入“add wave*”命令,你就可以到在波形窗口中出现了信号

swww2212

同与硬件执行和物理布线非常接近的物理综合相比,逻辑综合是更高层次的综合技术。