该电子教案为<<EDA原理及VHDL>>一书的配套教学资源 版权所有,不得用于其它商业用途 基于HDL的设计输入 何宾 2011.09 基于HDL的设计输入-本章概要 该章主要是通过一个设计实例介绍基于HDL的设计流 程。 通过这个设计实例，读者可以掌握基于HDL语言的基 本设计流程。这个设计基于HDL语言和IP核。 本章是HDL基本设计流程的第一部分，当设计输入完 成后，应依次完成行为仿真、设计实现（翻译、映射和布 局布线）、时序仿真、下载和配置的基本设计流程。 基于HDL的设计输入-软件环境 下图给出了ISE的主界面窗口。ISE主界面分为4 个子窗口。 基于HDL的设计输入-软件环境 左上角的窗口是源文件窗口，设计工程所包括的文件 以分层的形式列出。 在该子窗口的下面是处理窗口，该窗口描述的是对于 选定的设计文件可以使用的处理流程。 在ISE主界面最下面是脚本窗口，在该窗口中显示了 消息、错误和警告的状态。同时还有Tcl脚本的交互和文 件中查找的功能。 在ISE的右上角是多文档的窗口，在该窗口可以查看 html的报告，ASCII码文件、原理图和仿真波形。通过选 择View->Restore Default Layout可以恢复界面的原始设 置。 基于HDL的设计输入-软件环境 1、源文件（source）子窗口 这个窗口有三个标签：源（Source）、Snapshots（快 照）、Library（库）。 源标签内显示工程名、指定的芯片和设计有关的文 档。在设计视图的每一个文件都有一个相关的图标，这个 图标显示的是文件的类型（HDL文件、原理图、IP核和文 本文件）。‘+’表示该设计文件包含了更低层次的设计模 块。 标签内显示的是目前所打开文件快照。一个快照是在 该工程里所有文件的一个拷贝。通过该标签可以察看报 告、用户文档和源文件。在该标签下所有的信息都是只读 的. 库标签内显示与当前打开工程相关的库。 基于HDL的设计输入-软件环境 2、处理（process）子窗口 在该窗口只有一个处理标签。该标签有下列功能： 增加已有文件； 创建新文件； 察看设计总结（访问符号产生工具，例化模板，察看 命令行历史和仿真库编辑）； 用户约束文件（访问和编辑位置和时序约束）； 综合（检查语法、综合、察看RTL和综合报告）； 设计实现（访问实现工具，设计流程报告和其它一些 工具）； 产生可编程文件（访问配置工具和产生比特流文件） 基于HDL的设计输入-软件环境 3、脚本（transcript）子窗口 脚本子窗口有5个缺省的标签:Console，error， warnings ， Tcl shell，find in file。 1) Console标签显示错误、警告和信息。X表示错 误，！表示警告。 2) Warning标签只显示警告消息。 3) Error标签只显示错误消息。 4) Tcl shell标签是与设计人员的交互控制台。除了显 示错误、警告和信息外，还允许设计人员输入ISE特定命 令。 5) Find in file标签显示的是选择Edit>Find in File操作后 的查询结果。 基于HDL的设计输入-软件环境 4、工作区（Workspace）子窗口 工作区子窗口提供了设计总结、文本编辑器、ISE仿 真器/波形编辑器、原理图编辑器功能。 设计总结提供了关于该设计工程的更高级信息，包括 信息概况、芯片资源利用报告、与布局布线相关性能数 据、约束信息和总结信息等。 源文件和其它文本文件可以通过设计人员指定的编辑 工具打开。编辑工具的选择由Edit->Preference属性决定， 缺省的是ISE的文本编辑器，通过该编辑器可以编辑源文 件和用户文档，也可以访问语言模板。 基于HDL的设计输入-软件环境 通过ISE仿真器和波形编辑器创建和仿真测试平台。波 形编辑器提供了图形化的激励源和期望响应输出，然后产 生使用VHDL/Verilog语言描述的测试平台。 原理图编辑器集成在ISE中，原理图编辑器是采用图形 的方式创建和查看逻辑设计。 基于HDL的设计输入-工程建立 在建立工程前，需要将示例文件从光盘上拷到创建工 程的路径下。该设计完成一个比赛用的秒表计时器（设计 文件通过http://china.xilinx.com/support/techsup/tutorials /tutorials11.htm资源下载）。 1、在桌面上，双击ISE 11的图标或者在开始菜单->所 有程序->Xilinx ISE11->Project Navigator。在ISE主界面中 选择File->New Project。如图6.2所示，桌面出现下面的界 面； 基于HDL的设计输入-工程建立 基于HDL的设计输入-工程建立 2、在Project Location域内，给出保存工程的路径； 3、在Project name域内，给出工程名wtut_vhd； 4、在Top-Level Source Type域内，选择HDL，单击下 一步。出现图6.3图形界面。 5、在Device Properties界面中，选择合适的产品范围 （product category）、芯片的系列（Family）、具体的芯 片型号（Device）、封装类型（Package）、速度信息 （speed），此外，在该界面中还要选择综合工具 （Synthesis Tool）、仿真工具（Simulator）和设计语言 （Preferred Language）。图6.3给出了示例中的参数配置； 基于HDL的设计输入-工程建立 第6章 基于HDL的设计输入-工程建立 6、连续两次用鼠标点击下一步按钮，出现图6.4添加 源文件的界面； 基于HDL的设计输入-工程建立 在该界面中，点击“Add Source”按钮。添加下列文 件：clk_div_262k,lcd_control, statmach, stopwatch，并单击 open按钮； 7、单击下一步按钮，然后完成新工程的建立； 8、在确认所有的设计文件和Synthesis/Imp+Simulation关 联后，单击ok； 基于HDL的设计输入-工程建立 在Adding Source Files…界面 基于HDL的设计输入-设计描述 在该设计中，采用了层次化的、基于VHDL语言的设 计流程。表明该设计的顶层文件是由VHDL语言生成，而 顶层文件以下的其它模块可以用VHDL、原理图或IP核生 成。 该章将要对一个还没有设计完成的工程进行进一步的 处理，直到最终完成这个设计。通过这个设计流程，读者 可以完成并且产生其它模块。当设计完成后，就可以通过 仿真验证设计的正确性。 基于HDL的设计输入-设计描述 1、该设计有下面的输入信号： strtstop：启动和停止秒表； reset：复位秒表00：00：00状态，且秒表在时钟模式下； clk：外部输入时钟信号； mode：控制时钟和秒表模式。只有当时钟或定时器处于 未计数状态时，该信号才起作用； lap_load：这个信号有两个功能。在时钟模式下，显示当 前的时钟值。在定时器模式下，当定时器没有计数时， 从ROM中加载预设的值并显示； 基于HDL的设计输入-设计描述 2、该设计有下面的输出信号： lcd_e，lcd_rs，lcd_rw：这些控制信号用于控制 LCD的显示； sf_d[7:0]：向LCD显示提供并行数据； 基于HDL的设计输入-设计描述 3、该设计有以下功能模块： clk_div_262k：将输入时钟进行262144的分频，将 26.2144MH时钟转换成占空比为50%的100Hz时钟信号。 DCM1：数字时钟管理器的IP核，提供内部时钟反 馈、频率的输出控制和占空比的修正。CLKFX_OUT将 50MHz的时钟转换为26.2144MHz时钟输出。 Debounce：原理图模块实现秒表的strstop，mode， lap_load信号的去抖动。 lcd_control：对LCD的初始化和LCD的显示进行控 制。 基于HDL的设计输入-设计描述 statmach：在状态图（State Digram)编辑器中定义和 实现状态机模块，并控制秒表。 timer_preset：通过核产生器（core generator）产 生64X20的ROM，这个ROM在00:00:00到9:59:59的 范围内保存了64个预设置的时间。 time_cnt：在0:00:00到09:59:59的范围内以up/down 模式工作的计数器。这个模块有5个4比特的输出，用 来描述当前秒表的输出数字。 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 在这个例子的完成过程中，将对HDL文件进行检查， 修改语法错误，并建立一个VHDL模块，添加IP核和时钟 模块，通过使用混合设计方法完成所有设计输入流程。所 有后面的设计流程都基于这个设计示例完成。 图6.5显示的是上面的工程建立完成后，在ISE主界面 的source子窗口的界面。从该图可以看到在设计工程中虽 然已经例化了timer_cnt模块，但没有该模块的HDL的描述 （文件旁有“？”标识）。为了添加该文件并进行检查， 按 照下面的步骤将完成添加该文件并进行语法检查。 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 1、选择project->Add Source，选择并打开time_cnt.vhd 文件，确保该模块与Synthesis/Imp+Simulation选项关联， 并单击ok按钮； 2、对该设计文件进行语法检查。在source子窗口，选 择time_cnt.vhd文件。在process子窗口单击‘+’，展开 Design Utility，并双击Check Syntax； 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 图6.5 新建工程的源文件窗口 3、在检查语法的过程中，在Transcript子窗口中出 现4个错误信息的提示。根据错误的提示信息修改 文件，并保存，然后再次进行检查，直到没有语 法错误为止。并保存文件。 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 本节将介绍使用ISE的文本编辑器VHDL语言创建模快。 使用VHDL语言创建的模块用于该秒表的去抖动功能。 1、选择Project>New Source，弹出图6.6的窗口，新文 件建立的导向窗口。 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 在线逻辑分析仪 IP核生成向导 实现约束文件 原理图 状态图 仿真波形平台 Verilog模块 Verilog测试模块 VHDL模块 VHDL库 VHDL包 VHDL测试模块 嵌入式处理 图6.6 新建文件窗口 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 在窗口左边选择VHDL Module，在File name下面 的输入框输入debounce文件名，然后点击下一步，出现 新文件向导对话框，此时可以进行下列选择，可以通过 该向导输入端口的名字和方向，选择是否总线，如果是 总线，还需要指明宽度。读者也可以在HDL文件中自己 输入，当使用在VHDL中手工添加这种方式的时候，直 接单击next按钮即可；否则需要在该界面内指定端口参 数。最后，单击完成（finish）按钮生成新文件； 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 新建文件向导窗口 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 2、如图6.8所示，在ISE的工作区空间，给出使用 ISE文件编辑器打开的debounce.vhd文件。可以看 出，Xilinx的ISE工具生成了VHDL基本结构框架， 这也是ISE具有强大设计功能的体现； 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 图6.8 ISE的文件编辑器界面 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 下面需要的是EDA设计人员需要将结构体空缺的下面 的代码的添加到结构体中间。 architecture debounce_arch of debounce is signal int1, int2, int3 : std_logic; begin sig_out<=sig_in or int1 or int2 or int3; process (clk) is begin 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 if rising_edge(clk) then int1 <= sig_in; int2 <= int1; int3 <= int2; end if; end process; end debounce_arch; 输入完毕并保存文件，并对该设计文件按照前面的方 法进行语法规则检查，直到综合完成为止，在综合过程 如果出现错误，则需要对输入的设计文件进行检查。 基于HDL的设计输入- IP核产生和例化 IP核生成器（IP core generator）是一个用户图形交互界 面工具，通过核产生器可以产生高层次设计模块，例如： 存储器、数学函数、通讯和I/O接口的IP核。设计人员可 以定制和优化这些IP核，这些IP核充分利用Xilinx的FPGA 结构特征，例如：快速进位逻辑、SRL16s和分布式块 RAM等。 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 在本节中，通过IP核产生器生成timer_preset模块。该模 块存储了64个值，这些值将来加载到定时器中。 1、在ISE主界面中选择Project->New Source，弹出New Source Wizard窗口，在该窗口中选择IP（Coregen & Architecture Wizard），在File name field中输入 timer_preset文件名，点击next按钮； 2、在弹出的New Source Wizard Select IP窗口，选择 Memory & Storage Elements。如图6.9所示，在该界面中选 择”RAMs & ROMs”，在展开项中选择distributed Memory Generator，点击next和finish按钮； 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 3、弹出6.10的界面，在该界面中选择ROM的Depth， 将其设置为64，然后选择Data Width，将其设置为20，然 后将存储器的类型Memory Type设置为ROM，点击下一 步； 4、将Input options和Output options设置为Non Registered（表示输入和输出不需要通 过锁存器进行锁 存，可以看到在该界面窗口的左面的a[5:0]和spo[19:0]呈 黑色显示，其余引脚呈灰色显示（黑色表示引脚在该次设 计中有效，灰色表示引脚在该次设计中无效）；单击 finish按钮。在IP核产生器生成IP核后，产生下面的文件， 下面对这些文件的含义进行一些说明： 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 图6.9 IP选择界面 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 图6.10 分布式IP核产生器设置界面 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 5. 在该界面中，在“Cofficients File”选项后，点击 “Browse”按钮，在工程路径下选择 definition1_timws.coe 文件作为该存储器的系数文件，用来给存储器写初始 值。 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 图6.12 核生成器-分布式存储器生成器定制GUI界面 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的生成 timer_preset.vho/timer_preset.veo文件，这些文件是该IP 核的例化模板，通过这个例化模板就可以将IP核添加到该 设计中。 timer_preset.vhd/timer_preset.v文件，这些文件是IP核生 成的包装文件只用来仿真。 timer_preset.edn文件，该文件是网表文件，该文件在进 行网表翻译过程中使用。 timer_preset.xco文件，该文件保存了该模块的配置信 息，该文件作为源文件使用。 timer_preset.mif文件，该文件提供了为ROM仿真时的初 始设置。 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的例化 当IP核生成后，下面将在设计中调用生成的IP核。 1) 在工程管理窗口，双击stopwatch.vhd文件，将其打 开。 2) 将光标移动到--Insert Core Generator ROM component declaration here。 3) 在ISE中选择File->open选项,选择timer_preset.vho，并 打开。 4) 将VHDL的声明部分代码复制，并通过粘贴插入到光 标所指的那一行下面。 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的例化 component timer_preset port ( a: IN std_logic_VECTOR(5 downto 0); spo: OUT std_logic_VECTOR(19 downto 0)); end component; -- Synplicity black box declaration attribute syn_black_box : boolean; attribute syn_black_box of timer_preset: component is true; 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的例化 5. 将该文件的例化部分的代码复制。 your_instance_name : timer_preset port map ( a => a, spo => spo); 基于HDL的设计输入-timer_preset模块的例化 6、然后，粘贴到设计的顶层文件的例化部分，然 后通过端口映射将该模块和设计相连。 t_preset : timer_preset port map ( a(5 downto 0)=> address(5 downto 0), spo(19 downto 0)=> preset_time(19 downto 0) ); 通过上面的步骤，该IP核模块就添加到该设计文件 中了。 基于HDL的设计输入-DCM模块的生成 DCM模块即数字时钟管理模块，在很多方面都有应 用，下面步骤将给出DCM的IP核生成过程： 1、在ISE主界面中选择Project->New Source，弹出New Source Wizard窗口，在该窗口中选择IP（Coregen & Architecture Wizard），在File name field中输入DCM1文件 名，点击next按钮； 2、如图6.9所示，在该界面中选择FPGA Features and Design，在展开项Spartan-3E,Spantan-3A的子项中选择 Single DCM SP v11.2 i，点击next和finish按钮； 基于HDL的设计输入-DCM模块的生成 基于HDL的设计输入-DCM模块的生成 3、弹出Xilinx Clock Wizard-General Setup界面，在 该界面进行下面的设置： 在“Input Clock Frequency”(输入时钟频率)，输入50， 选择“MHz”; CLKIN Source(时钟输入源)：External, Single Phase Shift（相位移动）：NONE Feed back Source（反馈源）：Internal Feedback Value(反馈值)：1X 基于HDL的设计输入-DCM模块的生成 4. 然后单击“Advanced”按钮，选择“Wait for DCM lock before Done Signal goes high”（在Done信号变高 前，等待DCM锁定），点击“OK”按钮。 5. 点击“Next”按钮，然后再点击“Next”按钮； 6. 选择“Use output frequency”(使用输出频率)，然 后 输入26.2144，选择“MHz”。 7. 点击“Next”按钮，然后点击“Finish”按钮； 文件dcm1.xaw添加到工程源文件列表中。 基于HDL的设计输入-DCM模块的例化 1、在工程文件管理窗口，选择Source标签，选择 Dcm1.xaw文件。然后在处理子窗口选择View HDL Instantiation Template，并单击鼠标左键。 2、在workspace子窗口打开dcm1.vhi文件，将下面的代 码添加到设计文件stopwatch.vhd --Insert DCM1 component declaration here的下面。 基于HDL的设计输入-DCM模块的例化 COMPONENT dcm1 PORT( CLKIN_IN : IN std_logic; RST_IN : IN std_logic; CLKIN_IBUFG_OUT : OUT std_logic; CLK0_OUT : OUT std_logic; LOCKED_OUT : OUT std_logic ); END COMPONENT; 基于HDL的设计输入-DCM模块的例化 3、然后将下面的代码粘贴到stopwatch,vhd的例化部 分，即---- Insert DCM1 instantiation here的下面，并和 相应的端口连接。 dcm_inst : dcm1 port map (CLKIN_IN=>clk, RST_IN=>reset, CLKFX_OUT=>clk_26214k, CLKIN_IBUFG_OUT=>open, CLK0_OUT=>open, LOCKED_OUT=>locked); 习题 1、说明基于HDL语言的设计输入方法。 2、说明ISE软件平台的特点及其功能。 3、说明IP核的生成方法和例化方法。 4、完成一个基于VHDL设计输入的设计。
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