在Spartan 6 FPGA上从头开始实现全加器

描述

这是一个由 5 部分组成的博客，以下是链接：

第 1 部分：FPGA 基础知识

第 2 部分：在 Spartan 6 FPGA 上使用 Xilinx ISE 的组合逻辑

第 3 部分：在 Cyclone-IV FPGA 上使用 Quartus Prime 的顺序逻辑

第 4 部分：在 Artix-7 FPGA 上使用 Vivado 的组合逻辑与顺序逻辑

第 5 部分：最终项目 - DE0 Nano 开发板上的 Pong 游戏

本博客介绍了在 Spartan-6 FPGA 上从头开始实现全加器，并概述了 Verilog HDL 编程风格。

FPGA设计流程：

我们来看第一步

1. 设计作品：

FPGA 设计输入可以通过两种方式完成，或者通过代表硬件描述语言的 HDL - 这是最常见的方法，或者通过原理图输入，其中可以拖放并将各种块连接在一起或集成两者。

我们将通过探索赛灵思 ISE 来讨论设计条目！

Xilinx ISE 入门：

全加器电路（逻辑）

该电路的功能非常简单，它增加了 3 位并给出了和和进位输出。

全加器真值表：

什么是组合逻辑？

组合逻辑是一种由布尔电路实现的数字逻辑，其中输出仅是当前输入的纯函数，电路不包含任何存储元件。

硬件描述语言 (HDL)：

有很多 HDL，其中一些非常常用的 HDL 是 Verilog、VHDL、SystemVerilog。几乎所有 FPGA 供应商都支持这些 HDL 进行综合。

让我们在这个博客中谈谈 Verilog。Verilog中有3种建模风格。

a) 结构：用门来描述逻辑电路的结构，有时也称为门级建模。

b) 数据流：数据流建模根据从输入到输出的数据流来描述硬件。

c) 行为：这些包含程序语句，用于控制数据类型的模拟和操作变量。

a) 使用 Verilog 中的结构建模实现全加法器：

module Full_Adder (
input A, B, Cin,
output Sum, Cout
);

wire X1, A1, A2;

xor gate1 (X1, A, B),
gate2 (Sum, X1, Cin);

and gate3 (A1, A, B),
gate4 (A2, X1, Cin);

b) 使用 Verilog 中的数据流建模实现全加法器：

module Full_Adder (
input A, B, Cin,
output Sum, Cout
);

assign Sum = ( ( A ^ B ) ^ Cin ); // Sum = A xor B xor Cin
assign Cout = ( ( (A ^ B) & Cin ) | ( A & B ) ); // Carry out as the equation

endmodule

c) 使用 Verilog 中的行为建模实现全加法器：

module Full_Adder (
input A, B, Cin,
output reg Sum, Cout
);

always @ (A, B, Cin)
begin: add
{Cout,Sum} = A + B + Cin;
end

endmodule

为 FPGA 设计准备文件：

一个典型的 FPGA 设计有两组文件，一组文件包含指定设计的所有设计文件，另一组是约束文件，其中包含设计的所有约束，例如 FPGA 的时序约束和引脚映射。

保持设计模块化是一种很好的做法，以便于开发和调试。

top.v 文件（当 Verilog 用作设计语言时）用于实例化层次结构中单个顶层设计中的所有模块。

2、设计综合：

在 FPGA 综合过程中，高描述设计或 HDL 设计被转换为门级表示或逻辑组件。

现在综合设计

综合完成后，我们需要添加约束文件以将 FPGA 的引脚映射到逻辑元件。

创建一个新源并在选项中选择约束文件并为其命名。

几乎所有 FPGA 开发板供应商都提供了一个主约束文件，其中包含所有引脚及其到 FPGA 的映射。

复制并粘贴项目所需的引脚，例如，用于 Sum 和 Carry 的 2 个 LED，然后是 3 个用于 3 个输入的开关。

3、设计实现：

现在是实施设计的时候了。

实施工具将网表作为输入并进行优化、布局和布线。

4. 设计验证：

这是一个简单的全加器设计，因此不需要验证，但这样做是一个很好的做法。使用 Modelsim 验证设计

5. 生成编程文件：

编程文件用于对 FPGA 进行编程。该文件包含特定于 FPGA 的设计实现的所有信息。

6. 编程：

Xilinx ISE 有一个名为 iMPACT 的特定工具，用于对 FPGA 进行编程。

您将收到一条警告，要求您创建 iMPACT 文件，单击“确定”。然后 iMPACT 工具将打开，然后单击边界扫描，然后单击初始化链。