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FPGA教程:通過(guò)Mojo開(kāi)發(fā)板介紹FPGA

李澤明 ? 來(lái)源:DevicePlus ? 作者:DevicePlus ? 2023-02-27 10:27 ? 次閱讀

這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

引言

迄今為止,我們的嵌入式系統(tǒng)教程和項(xiàng)目已經(jīng)使用了多塊微控制器開(kāi)發(fā)板,比如不同型號(hào)的Arduino微控制器板。使用微控制器時(shí),用戶(hù)將微控制器上的數(shù)字和模擬接口引腳連至受控外圍電子設(shè)備,然后,用戶(hù)上傳包含一系列指令的軟件,微控制器會(huì)循環(huán)執(zhí)行這些指令。運(yùn)行時(shí),微控制器的核心處理器按照微控制器模塊的時(shí)鐘速率讀取并執(zhí)行這些指令。因此,我們可以看到,在某一時(shí)刻,微控制器通常只運(yùn)行一條指令。

對(duì)于許多嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目來(lái)說(shuō),尤其是那些在入門(mén)微控制器模塊(比如Arduino開(kāi)發(fā)板)上實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目,這種單獨(dú)的指令執(zhí)行并不影響性能。這是因?yàn)闀r(shí)鐘速度足夠快,以至于人類(lèi)感官無(wú)法區(qū)分后續(xù)運(yùn)行。然而,許多大型應(yīng)用可能需要不同的操作并行運(yùn)行,這就使得微控制器實(shí)現(xiàn)變得非常復(fù)雜或完全不可能。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(簡(jiǎn)稱(chēng)FPGA)是一種不同的計(jì)算平臺(tái),由于其固有的不同功能方式,能夠?qū)崿F(xiàn)微控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

poYBAGPzJdaAWRvoAAIi-L4Oud4850.jpg

圖1:一塊Arduino微控制器開(kāi)發(fā)板(左)和一塊Altera FPGA開(kāi)發(fā)板(右)/ ?RobotShop & ?Waveshare

FPGA和微控制器的主要區(qū)別在于配置方法。用戶(hù)不需要像處理微控制器那樣上載一系列指令讓板載芯片解釋執(zhí)行,而是直接配置FPGA的硬件。這意味著用戶(hù)為FPGA編寫(xiě)的程序不是重復(fù)執(zhí)行的一系列指令,而是如何配置內(nèi)部硬件以執(zhí)行不同任務(wù)的規(guī)劃。硬件以?xún)?nèi)部邏輯門(mén)和存儲(chǔ)單元的形式出現(xiàn),最基本的級(jí)別就是多晶體管電路組合。

由于FPGA的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)實(shí)際上只是硬件連接,所以FPGA可以并行運(yùn)行多個(gè)操作!想象一下,如果系統(tǒng)任務(wù)如下:讀取光敏電阻上的壓降;讀取霍爾效應(yīng)傳感器的輸入;并通過(guò)UART連接與另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。微控制器方案的程序流程圖可能如下所示:

pYYBAGPzJdeADohgAAC13kNgfZI260.jpg

請(qǐng)注意不同任務(wù)是串行完成的。而FPGA則可以使用不同電路分別執(zhí)行三個(gè)任務(wù),因此允許系統(tǒng)并行執(zhí)行所有三個(gè)操作。因此,F(xiàn)PGA方案的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)原理將如下所示:

poYBAGPzJdmADCw_AAC7NHgQ8FQ539.jpg

上述例子只是很簡(jiǎn)單地解釋了微控制器方案與運(yùn)行和FPGA方案與運(yùn)行之間的區(qū)別,這一點(diǎn)很重要。實(shí)際上,F(xiàn)PGA的內(nèi)部項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)取決于項(xiàng)目本身,微控制器可能通過(guò)并行化執(zhí)行指令來(lái)提高性能。關(guān)鍵的一點(diǎn)是這兩種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同任務(wù)的方式不同:微控制器串行執(zhí)行指令,而FPGA則通過(guò)路由內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)功能行為。

許多FPGA開(kāi)發(fā)板都可以當(dāng)作入門(mén)模塊使用,比如Digilent和Xilinx出售的Arty和Basys開(kāi)發(fā)板。在本教程中,我們將使用Embedded Micro的Mojo V3。這是一款低成本板卡,也可用作入門(mén)模塊。我個(gè)人比較喜歡Mojo開(kāi)發(fā)板,比如Basys 3,因?yàn)樗鼛в写罅靠膳c外部電路連接的插頭引腳!此外,Embedded Micro還提供許多很棒的教程,幫助開(kāi)發(fā)人員使用FPGA(請(qǐng)參考附錄中的鏈接)!

pYYBAGPzJduAOKvoAAPdniVfRSE135.jpg

圖2:Mojo V3開(kāi)發(fā)板/ ?Embedded Micro

在本教程中,我們從一個(gè)基本的輸入/輸出示例開(kāi)始,向您介紹Mojo開(kāi)發(fā)板的編程過(guò)程。在第2部分中,我們會(huì)為您準(zhǔn)備一個(gè)更復(fù)雜的項(xiàng)目:硬件PWM實(shí)現(xiàn)!

本教程演示了如何使用Verilog硬件描述語(yǔ)言(稍后我們將詳細(xì)討論該語(yǔ)言)來(lái)配置Mojo!Verilog及其變體已經(jīng)成為行業(yè)常用軟件,所以您通過(guò) Mojo項(xiàng)目學(xué)到的知識(shí)也能應(yīng)用到其他更高級(jí)的開(kāi)發(fā)板上!

所需軟硬件如下:

硬件:

Mojo V3開(kāi)發(fā)板

Micro USB電纜

Windows或Linux電腦(不幸的是,目前不支持Mac操作系統(tǒng)

紅色LED

1 x 150?或類(lèi)似電阻(用于LED限流)

2 x 10k?電阻(用于按鈕下拉)

面包板和跳線(xiàn)

軟件:

Mojo Loader(將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上傳至FPGA)

ISE Design Suite(編寫(xiě)和綜合Verilog代碼的IDE)

在下載頁(yè)面上向下滾動(dòng),直到看到標(biāo)有“ISE Design Suite”的部分

Mojo 基本項(xiàng)目(所有項(xiàng)目都將以Mojo提供的該項(xiàng)目骨架為基礎(chǔ))

比如說(shuō),我們想只有當(dāng)兩個(gè)外部按鈕都按下時(shí),才能點(diǎn)亮一個(gè)外部LED。首先,我們注意到這是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng),因?yàn)榘粹o輸入電壓和LED輸出電壓只能取兩個(gè)值中的一個(gè):0伏或3.3伏。我們可以用邏輯0表示0伏,用邏輯1表示3.3伏,從而對(duì)輸入端和輸出端的所有可能電壓值進(jìn)行二進(jìn)制編碼。實(shí)際上,1和0是“高”和“低”數(shù)字電壓信號(hào)的另一種表達(dá)方式。

下表總結(jié)了按鈕輸入的所有值和對(duì)應(yīng)的LED輸出值:

輸入1(按鈕1) 輸入2(按鈕2) 輸出(LED
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

熟悉布爾代數(shù)(研究二進(jìn)制值和二進(jìn)制值的不同運(yùn)算)的人會(huì)把這個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)看作與(AND )門(mén)。與門(mén)的工作原理是只有當(dāng)兩個(gè)輸入都是1時(shí)輸出才是1,這正是我們想要的按鈕和LED配置!許多邏輯門(mén)將輸出值定義為輸入值的函數(shù)。要查看所有邏輯門(mén)的信息,請(qǐng)點(diǎn)擊附件中的鏈接!

我們首先按下圖所示將按鈕和LED連至Mojo開(kāi)發(fā)板:

poYBAGPzJd2AeSw1AAWYokL-f_8740.jpg

圖3:Mojo開(kāi) 發(fā)板連接一個(gè)LED和兩個(gè)按鈕的接線(xiàn)圖(通過(guò)Fritzing創(chuàng)建;Mojo Fritzing文件由Michael Earls制作)

我們現(xiàn)在可以對(duì)Mojo進(jìn)行編程。啟動(dòng)ISE并打開(kāi)您下載的基礎(chǔ)項(xiàng)目。屏幕應(yīng)該如下所示:

poYBAGPzJd-Ae4e1AAJcdeyvq6c985.jpg

在窗口左側(cè),您應(yīng)該看到一個(gè)含有不同文件的層次結(jié)構(gòu)。雙擊文件mojo_top.v。該文件中的Verilog代碼應(yīng)該在屏幕右側(cè)彈出。

pYYBAGPzJeGAIvmXAAGbqiSDEb0265.jpg

現(xiàn)在,我們簡(jiǎn)單介紹一下Verilog語(yǔ)言及其文件結(jié)構(gòu)。首先需要注意的是,Verilog不是傳統(tǒng)意義上的編程語(yǔ)言。如前所述,F(xiàn)PGA的內(nèi)部硬件是可配置的。而Verilog語(yǔ)言則是設(shè)計(jì)人員和FPGA實(shí)現(xiàn)軟件(本文為ISE Design Suite)之間的接口。更具體地說(shuō),實(shí)現(xiàn)軟件讀取Verilog代碼并通過(guò)內(nèi)部算法將其轉(zhuǎn)換成一系列邏輯門(mén),從而實(shí)現(xiàn)代碼指定的功能。因此,Verilog被稱(chēng)為硬件描述語(yǔ)言,簡(jiǎn)稱(chēng)HDL。

Verilog代碼分為相互作用的多個(gè)不同模塊——這些模塊類(lèi)似于其他編程語(yǔ)言的函數(shù)。這些模塊可以有多個(gè)輸入和輸出,模塊內(nèi)部的代碼會(huì)指定如何根據(jù)不同的輸入值驅(qū)動(dòng)輸出。您可能會(huì)注意到,不同模塊可以分布在多個(gè)Verilog .v文件中。Mojo基礎(chǔ)項(xiàng)目包含幾個(gè).v文件:AVR、SPI和串行功能。mojo_top.v文件是中心Verilog模塊,該模塊指定FPGA的主要行為。ISE足夠智能,能識(shí)別這是程序的中心(“主”)模塊。在屏幕左側(cè)的文件層次結(jié)構(gòu)中,您會(huì)看到mojo_top.v文件位于列表頂部。

poYBAGPzJeKAHWuWAAEaSFL-OJM868.jpg

除Verilog .v文件外,您還會(huì)看到一個(gè)擴(kuò)展名為.ucf的文件,該文件代表用戶(hù)約束文件(User Constraints File)。在這個(gè)文件中,用戶(hù)在他或她的項(xiàng)目中為輸入和輸出(I / O)連接指定名稱(chēng),并確定與這些信號(hào)相關(guān)的引腳和I/O標(biāo)準(zhǔn)。我們開(kāi)始編輯這個(gè)文件。在左側(cè)瀏覽器中雙擊文件名,該文件會(huì)在右側(cè)的新選項(xiàng)卡中打開(kāi)。

pYYBAGPzJeSANWmSAAG3KclEFN4259.jpg

您會(huì)看到這個(gè)文件中已經(jīng)存在幾條指令。這些指令指定了板上連接的名稱(chēng),比如板載LED和不同通信總線(xiàn)的連接。向下滾動(dòng)至文件末尾,按鍵盤(pán)上的“Enter”鍵創(chuàng)建一個(gè)新行。我們要添加三條指令,分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)按鈕輸入引腳和一個(gè)LED輸出引腳。 我們要做的就是按照文件中其他指令的格式編寫(xiě)新指令即可!

您可以復(fù)制文件中以“NET”開(kāi)頭的任何一條指令,然后在文件底部粘貼三次,修改行首引號(hào)內(nèi)的字符串以及“P”后面的數(shù)字。在本教程中,我們將使用14和21腳作為按鈕輸入,26腳作為L(zhǎng)ED輸出,因此我們應(yīng)在文件底部添加以下指令:

NET “button_a” LOC = P14 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “button_b” LOC = P21 | IOSTANDARD = LVTTL;

NET “l(fā)ed_external” LOC = P26 | IOSTANDARD = LVTTL;

請(qǐng)確保您選擇的引腳不與UCF文件指定的引腳沖突。

現(xiàn)在您的UCF文件應(yīng)該是這樣的:

pYYBAGPzJeaAVyc2AAZLbc43EAA198.jpg

現(xiàn)在我們已經(jīng)指定項(xiàng)目的具體信號(hào)名稱(chēng)及其關(guān)聯(lián)連接,我們可以編寫(xiě)代碼,將LED輸出描述為按鈕輸入信號(hào)的函數(shù)。您可能已經(jīng)猜到了,這需要修改mojo_top模塊。

模塊聲明部分的頂部是單詞“module”(模塊),然后是模塊名稱(chēng)(本例中模塊名稱(chēng)為mojo_top)以及模塊將要使用的輸入和輸出信號(hào)列表。我們需要將兩個(gè)按鈕信號(hào)名稱(chēng)和LED信號(hào)名稱(chēng)添加到該連接列表中,使得信號(hào)能夠成為輸入和輸出。要做到這一點(diǎn),我們可以在信號(hào)列表末尾添加以下程序:

input button_a,

input button_b,

output led_external

現(xiàn)在,模塊頭應(yīng)該是這樣的:

poYBAGPzJeiAYEuLAAKyr3ihC6U329.jpg

至此,我們已經(jīng)為按鈕和外部LED聲明了信號(hào)名稱(chēng),并為這些信號(hào)分配了Mojo開(kāi)發(fā)板I/O引腳,并且在Verilog中指定這些信號(hào)分別是輸入和輸出。現(xiàn)在,我們所要做的就是定義LED點(diǎn)亮的條件!更具體地說(shuō),我們需要指定發(fā)光二極管開(kāi)啟(二進(jìn)制1)和關(guān)閉(二進(jìn)制0)的情況。

回想之前的討論,我提到LED的操作行為與布爾與(AND)函數(shù)完全相同。在Verilog中,我們用符號(hào)&&表示布爾與(AND)運(yùn)算。我們想要將按鈕輸入的與函數(shù)結(jié)果分配給LED。實(shí)現(xiàn)此功能的Verilog代碼如下:

assign led_external = button_a && button_b;

將這行指令添加到模塊末尾就可以實(shí)現(xiàn)我們所需的行為。打開(kāi)基礎(chǔ)項(xiàng)目時(shí),我們會(huì)看到這行程序上方本來(lái)就存在許多程序行,這些程序設(shè)置了其他不同信號(hào),比如板上SPI和板載LED信號(hào),在本項(xiàng)目中我們不會(huì)使用這些信號(hào)。

現(xiàn)在,完整模塊應(yīng)該是這樣的:

pYYBAGPzJemAY0uOAAGsvDxF0l8515.jpg

要對(duì)FPGA進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)我們指定的行為,我們必須生成一個(gè)編程文件,其格式為.bin文件。發(fā)出命令之后,ISE會(huì)綜合我們的設(shè)計(jì)(檢查錯(cuò)誤并運(yùn)行測(cè)試),然后實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)(定義實(shí)現(xiàn)指定行為所需的內(nèi)部門(mén)結(jié)構(gòu)),并生成這個(gè)編程文件。要運(yùn)行此過(guò)程,請(qǐng)雙擊左下窗口中的“Generate Programming File”(生成編程文件)按鈕。

pYYBAGPzJeyAQTJlAAEZfgAfXrk989.jpg

在編程文件生成的過(guò)程中,ISE會(huì)發(fā)出幾條丟失網(wǎng)絡(luò)和/或未路由網(wǎng)絡(luò)的警告。這些警告對(duì)于此實(shí)現(xiàn)并不重要,不會(huì)影響我們對(duì)FPGA的編程。我們沒(méi)有使用UCF中指定的所有信號(hào),所以ISE才會(huì)發(fā)出這些警告。

編程文件生成完成后,ISE會(huì)在我們剛才雙擊的按鈕旁邊添加一個(gè)綠色對(duì)號(hào)。

pYYBAGPzJe2AViT7AAECX_9lzm8435.jpg

現(xiàn)在,我們所要做的就是將編程文件上傳到Mojo開(kāi)發(fā)板上。首先,請(qǐng)確保按上圖所示將按鈕和LED連至Mojo的引腳。

其次,打開(kāi)Mojo Loader軟件并選擇與Mojo相對(duì)應(yīng)的USB端口。然后,選擇ISE生成的.bin文件。您必須導(dǎo)航至項(xiàng)目目錄下的/syn/文件夾。在Mojo Loader內(nèi)打開(kāi).bin文件后,請(qǐng)點(diǎn)擊窗口右下方的“Load”(加載)按鈕。編程文件就開(kāi)始向Mojo開(kāi)發(fā)板上傳。

pYYBAGPzJe-ALlcOAAC0npNghMk193.jpg

該過(guò)程完成后,您就可以測(cè)試您的設(shè)計(jì)了!只有按下兩個(gè)按鈕時(shí),LED燈才會(huì)點(diǎn)亮。恭喜,您已經(jīng)完成了您的第一個(gè)FPGA項(xiàng)目!我們還為您準(zhǔn)備了一個(gè)更復(fù)雜的硬件PWM項(xiàng)目,敬請(qǐng)查看本教程的第2部分!

審核編輯:湯梓紅

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