FPGA初学者系列——模块书写&电路综合

本系列文章主要针对FPGA初学者编写，包括FPGA的模块书写、基础语法、状态机、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能验证等。将每一个知识点作为一个章节进行讲解，旨在更快速的提升初学者在FPGA开发方面的能力，每一个章节中都有针对性的代码书写以及代码的讲解，可作为读者参考。

第一章：模块书写

Verilog HDL 语言的基本语法与 C语言相似，因此与 VHDL 相比较更容易上手。本章将会在实际小项目的基础上，以 Verilog HDL 语言为主， 教读者怎么更方便、更高效的学习 FPGA。

Verilog HDL 中的 HDL 指的是硬件描述语言（Hardware Description Language）， 顾名思义，Verilog HDL 可以描述对应的硬件电路，下面以一个小例子说明。

图 1 电路示意图

如图1所示为电路示意图， 首先分析一下该电路：

①两个输入端口即 a 和 b，为了更好地让读者理解该变量为一个输入端口，输入端口可加上方向pi（port input）表示输入。面对大量的代码，一个比较好的命名风格，更方便我们后续的验证， 希望前期就可以养成比较好的命名风格。

②一个输出端口即 c，同理 po 即为 port output。

功能：该电路实现 a 和 b 相与，结果为 c。

在用 Verilog HDL 描述一个电路时，必须要对该电路命名，此处我们对该电路命名为 a_and_b。在用 Verilog HDL 描述一个电路时， 模块的开始都是以 module 开始，endmodule 结束， module 后面写该模块的模块名，模块名的后面有一个小括号，所有该模块的端口都需要在此小括号内声明，小括号以分号结束（半角分号，同c 语言一样， Verilog HDL 中每一条语句也是以分号结束）。

在 module 与 endmodule 之间，可以定义必要的内部变量，以及我们所有描述的逻辑功能。具体如图2所示：

图2 模块代码编辑示意

建议安装专门编辑程序的一些软件，例如Notepad++软件界面及功能都比较齐全。用 Notepad++打开我们新建的 V 文件， 按照模板书写模块a_and_b的 Verilog HDL 代码， 如下所示：

图3 模块代码

代码解析：

①模块以 module 作为开头， endmodule 作为结尾， 需要注意模块名与 V 文件名要一致；

②小括号内描述端口， Verilog HDL 中输入端口的关键字为 input，输出端口的关键字为 output。wire（线） 为端口的变量类型， input 端口的变量均为 wire型， Verilog HDL 中另一种常用的变量类型为 reg（寄存器），将在后面的章节详细介绍；

③代码第 8 行， 描述了具体的逻辑功能， assign 为 Verilog HDL 中的关键字，assign 可以描述组合逻辑，每一个 assign 后面只能跟一条语句。Verilog HDL 中另一个常用的关键字为 always， 后续会详细讲解。该语句表达的意思为 a&b赋值给 c， 其中=为赋值号， 将右边的结果赋值为左边的变量， &为按位与，即变量的对应位相与， 将在基础语法部分详细讲解。

这样我们就已经将图中电路描述清楚了，代码只需要按照给出的模板填写对应的内容即可。

第二章节我们将会讲解在ISE中如何验证代码是否有语法错误，以及将对应的代码转变成 RTL 电路。

第二章：电路综合

第一章中已经将 a & b = c 对应的 Verilog HDL 程序写出， 但是我们无法得知我们所写的代码是否有语法错误，也不知道代码是否能够按照我们的意思生成对应的电路。本章中我们将会使用 xilinx 公司的 ISE 软件对所写的程序进行综合，从中可以得知代码是否有语法错误，以及生成对应的 RTL 电路。为了方便管理，我们在与 design 文件夹同路径下新建一个文件夹，取名为ise_prj（基于 ISE 的 project）。打开 ISE，会看到如图 1 所示的界面。点击右上角的 File，选择 New Project…新建一个工程。

图 1 ISE 主界面

弹出如图 2 所示的界面，在 Name 处填写工程名字（尽量保证与顶层文件名一致即a_and_b）， Location 处选择工程存放的路径， Working Direction 默认路径与 Location一致， Top-level source type 处按照所需选择，此处我们选择 HDL。

图 2 创建工程

点击 Next，弹出如下图 3的界面，按照板卡芯片选择对应的选项，若是只想看看生成的 RTL 电路（不下板调试），则不需要选择，或者随便选择一个芯片即可。

图 3 工程设置

点击 Next，再点击 Finish 完成工程的创建。按照图4所示，右键点击芯片型号，选择 Add Source…添加已经存在的文件（a_and_b.v）。找到 design 文件夹中a_and_b.v 文件所在的路径，选中该文件，点击 OK。

图4 添加 V 文件

添加文件后的工程界面如图 5 所示。

图 5 添加 V 文件后的工程

选中 a_and_b，双击 Synthesize 选项进行对我们的程序进行综合。若是没有语法错误则会出现图6左所示的界面，如果有语法错误则会出现图6右所示的界面，则需要查看错误报告将错误的地方改正并重新综合，直至编译通过为止。

图6 左（正确）右（错误）

在综合正确的情况下，点击 Synthesize 选项前面的加号，如图 7 所示。

图 7 展开后的 Synthesize 选项

双击 View RTL Schematic 选项，出现如图8所示的界面。

图 8 RTL 显示选项页面

选择 Start with a schematic of the top-level block，点击 OK 选项，生成如下图 9 所示界面。

图 9 模块模型

可以双击图 9 所示的模块的模型，则可以看到模块内部的 RTL 电路，如图 10 所示。

图 10 RTL 电路

从图 10 中我们可以看到生成的电路是我们用 Verilog HDL 语言描述的电路结构。代码的语法及电路验证都是正确的，但是具体的功能是否满足我们的要求呢， 这就需要我们通过仿真来验证了。

在第三章中，我们会针对该代码书写对应的测试文件，并且通过 Modelsim 软件来验证我们的a_and_b 模块功能是否正确。

编辑：hfy