FPGA_VHDL 学习课堂笔记001

FPGA_VHDL 学习课堂笔记

 

记录说明：本文档主要记录大学期间，老师FPGA授课课堂笔记。

代码语言：VHDL

编程软件：MAX+plus II

FPGA硬件：FLE-843

 

03月05日 理论课

wo先唠点：

FPGA硬件中有百万个逻辑门，我们可以通过编程将各种门组合连接，并将编程下载到FPGA中，以实现设计功能。编程分为文本编辑和图行编辑，图形编辑就是通过数电逻辑原理图，进行逻辑门间的线路连接。而文本编辑，是通过描述性代码，将设计者想要实现的功能转换成机器语言，使得FPGA根据机器语言，将内部的各种逻辑门进行搭建，以实现最终功能。需要注意的是，各种逻辑门的搭建方式完全由FPGA自己优化实现搭建，因而，我们控制的只是去描述下想要实现的最终功能即可。文本编辑主要由VHDL和Verilog两种，Verilog在工程上用的较多，但是由于其太灵活，有些想要实现的功能并不能由Verilog语言直接进行描述实现，还需要VHDL来解决。所以，我觉得VHDL和Verilog 的关系就像汇编语言和C语言的关系一样。不管哪个好，老师教的是VHDL，我的FPGA学习之路就由VHDL开始。但是我觉得在学习了单片机以后再来学习FPGA的最先要干的事是先把思想从单片机的顺序循环执行调到FPGA的并行运行模式，这样在学习FPGA时就不会限于原有的惯有思想了。

laoshi课堂：

    以1997年电子设计大赛中题目频率计，说明了FPGA应用的必要性（理解起来有点难，以后再写）：

    先介绍MAX+Plus II软件的使用界面：

下载和使用网站：
http://www.bokeboke.net/articles/46960.html

1. 打开软件max+plusII
   

 

双击图标：

 

1. 新建文本文件
   

 

 

1. 代码结构
   

整体代码包括一个实体和多个结构体（至少一个结构体），代码不区分大小写。以一个二选一数据选择器为例，介绍代码组成。

实体部分：（代码实体部分在上，结构体部分在下）

entity mux21
is -- entity引导实体开始，mux21是实体名（自定义，要求无汉字，开头非数字，末与库文件中关键词重复），is固定结构关键词。

port(a,b,s:in
bit; --port定义端口关键词，端口a，b，s是输入端口，bit表示是位数据

     y:out
bit); --端口y是输出端口，位数据类型。有关端口模式和数据类型见tip1.

end entity
mux21; --end entity 实体名，结束实体部分

 

结构体部分：

architecture one of
mux21
is --architecture关键词结构体开始

begin --begin关键词开始功能描述

y<=a when s='0' else --<=是赋值符号，y=a（端口a的值）当端口s为低电平，

b; --else，否则y=b（端口b的值）

end;
--结束结构体

 

*tip1：

端口描述：

a，b，s，y是端口名，任意取，s是数据选择端，y是输出端，根据s的值选择输出a或b的值；

in，out是端口模式，常用的端口模式有in（单向输入）、out（单向输出）、inout（双向I/O口，在某一时刻是单向的，其传输方向需要先设置）、buffer（缓冲输出，该模式下有一个反馈信号，用于检测输出的状态值，常用于计数器等设计）。

数据类型：

    bit表示是位数据，表明其取值范围为0或1；

    常用的数据类型有bit（只有0和1两种状态，较少使用）、std_logic（标准逻辑位，有9种状态)、bit_vector(位矢量)、std_logic_vector(标准逻辑矢量，可以表示多个数值，比如3 downto 0或0 to 3，说明有4个数值，每个都是标准逻辑位)、integer（整数型，要限定整数的范围，以便系统提供数据线，如H:integer range 0 to 99,系统会提供7条线）

并行语句：

    结构体中的语句不想C语言那样具有顺序性的执行，而是不分先后，同时进行的，对于结构体中出现的条件语句，判断条件时具有顺序性，但在进行赋值时是同时赋值，所以对于一个变量值要考虑其在同一时刻会被赋予不同值的情况。

 

1. 文本文件存盘及代码输入
   

 

在代码输入前，先将文本文件命名后存盘，这样在输入代码时，软件会自动检测关键词，使得其变色，这样就可以看出来有没有把关键词代码打错了。需要注意，文本文件名是代码中的实体名+后缀.vhd。

 

 

按照上图，把文本文件设置成工程文件，才能在编写好代码后进行编译。

1. 代码编译
   

    

若编译后有错误，需要从错误提示的第一条开始更改错误，这个和在学习C语言时的检错是一致的步骤。

1. 波形仿真
   

   在代码编译通过后，进行波形仿真，也就是常见的时序图分析。给输入变量在不同时刻设置初值，进行软件仿真后，就可以看到输出端的时序逻辑，以判读代码是否达到设计要求。
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

    

保存好波形文件后，首先对时序仿真信号的总时间[End time]进行设定，默认值太小，根据需要设置放置的长度：

 

设置好仿真时间段后，对输入端s/a/b不同时刻进行赋值：

 

按照上述方法，对不同时间段的a/b端口依次赋值：

对输入端口赋完初值后，就可以进行仿真：

 

到此仿真结束。

 

03月12日 理论课

 

03月14日 理论课

 

03月19日 理论课

设计要求：

设计一个100进制的计数器，要求其按8421码进行计数（不是按照二进制码，所谓的8421码是指将十位和个位分开表示，对于个位计数范围为0~9，即0000~1001.同样，对于十位计数范围也是0~9）。其他功能要求有同步置数端（当同步置数端有效，若数据输入端为d，时钟为上升沿时将输出值置为d），异步清零端（异步清零不受时钟限制，应该作为敏感信号），计数使能端（只有当同步置数端无效时，才可以判读计数使能进行计数）。

输入端口：时钟输入端clk；异步清零端clr；同步置数端load；计数使能端en；数据输入端d.

输出端口：计数输出端q.

代码部分：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity count100 is

port(clr,load,en,clk:in std_logic;

     d:in std_logic_vector(7 downto 0);

     q:out std_logic_vector(7 downto 0));

end entity count100;

 

architecture one of count100 is

signal p: std_logic_vector(7 downto 0);

begin

process(clr,clk)

begin

if clr='1' then p<="00000000";

elsif clk'event and clk='1' then

        if load='1' then p<=d;

        elsif en='1' then

                if p(3 downto 0)="1001" then p(3 downto 0)<="0000";

                        if p(7 downto 4)="1001" then p(7 downto 4)<="0000";

                        else p(7 downto 4)<=p(7 downto 4)+1;

                        end if;

                else p(3 downto 0)<=p(3 downto 0)+1;

                end if;

        end if;

end if;

end process;

q<=p;

end;

 

tip：在Node那加端口；

波形仿真时，双击H可以改为Dec等进制，以便于查看数据；

对d赋值时，点波形左侧最下面的G开头，双击进去赋值；

对于赋值问题，由于采用的是8421码形式进行计数，但如果赋值大于1001，比如赋值为3F，则会变为30，因为低位为F，计数满了会变为0，而对于高位只有低位后才会加一，这就是为什么下一个数不是40的原因；

举一反三：若改为66进制，则计数范围为0~65。当计数值达到最大值65时，需要注意的是此时的个位是5而不是9，这个时候就要清零了。所以，编程思路应该为：先判断整体的值是否为65，如果是65就要先将整体（个位和十位）都清零（因而在后面的代码中就不需要判断十位什么时候到6了，到65后会自动清零）；在判断个位是否到9后，如果个位到9个位清零，十位加一，如果个位没有到9，个位加一，十位不变。

再分析66进制赋值问题，如果赋值送的数大于66，则会自动加到99，再加的话会从A0一直加到F9才会清零，这个是因为代码中对于十位的清零只有在整体等于65时才会清零所致，所以个位到9就会清零，而十位一直加到F加满了才会变成0。

设计要求：分频器（改变时钟的频率）

wo先唠点：

对于一个硬件系统，为了防止多个时钟同时输入会产生竞争冒险，一般只会接一个外时钟，但是系统内部各个部分所需要的时钟频率并不是固定的，这就需要进行分配或者倍频实现。倍频是提高频率，一般最大为500Mhz，倍频较难实现，一般调用库IP内核直接使用。分频是降低频率，其分频原理是通过计数器来实现。把计数器的溢出作为分频输出信号就可以实现分频。比如一个10进制的技术器，输入端（若T=1us）来10个信号，才会使得溢出信号产生一个（T=10us），这就实现了10分频。

代码部分：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity fp10 is

port(clk:in std_logic;

     cp:out std_logic);

end entity fp10;

 

architecture one of fp10 is

signal p:integer range 0 to 9;

begin

process(clk)

begin

if clk'event and clk='1' then

        if p=9 then p<=0; cp<='1';

        else p<=p+1;cp<='0';

        end if;

end if;

end process;

end;