【RK3568+PG2L50H開發板實驗例程】FPGA部分

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1.實驗簡介

實驗目的：

? 從創建工程到編寫代碼，完成引腳約束，最后生成 bit 流下載到開發板上，完成 Key0 控制 led0 閃爍，Key1 控制 led1 亮滅。

實驗環境：

? Window11 PDS2022.2-SP6.4 芯片型號： PG2L50H-484

2.實驗原理

通常的時，分，秒的計時進位大家應該不陌生；

1 小時=60 分鐘=3600 秒，當時針轉動 1 小時，秒針跳動 3600 次；

在數字電路中的時鐘信號也是有固定的節奏的，這種節奏的開始到結束的時間,我們通常稱之為周期（T）

在數字系統中通常關注到時鐘的頻率,那頻率與周期的關系如下：

$f=\frac{1}{T}$

而本次開發板上的晶振提供了一個 25MHZ 的單端時鐘。

所以其周期約為 40ns。而在我們FPGA 的設計中，我們的 always 塊通常都是在時鐘的上升沿時對數據進行賦值，因此我們可以定義一個變量，每到時鐘的上升沿就讓該變量+1，讓其變成一個計數器，該變量每加 1 就表示經過了 40ns，那如果要定時 1s 的話，只需要讓其計數到 24999999 即可，因為從 0 開始計數，所以計數到 24999999 即可，此時就是一秒了。以此類推，12499999 就是 0.5s。

? 錯誤！未定義書簽。為開發板上 2 個 LED 燈的原理圖。

? ? ?錯誤！未定義書簽。為開發板上 2 個按鍵的原理圖。

? ? ?KEY0 控制 LED0 每 1s 更換一次 LED 燈狀態，KE1 控制 LELD1 亮滅狀態。（高電平用 1 表示，低電平用 0 表示）

3.接口列表

? ? ?接口列表 top.v 頂層模塊接口列表：

端口	I/O	位寬	描述
?sys_clk	?input	1	?系統時鐘 25MHZ
?key0	?input	1	?用戶按鍵 0
?key1	?input	1	?用戶按鍵 1
?led_0	?output	1	?led 燈控制信號
?led1	?output	1	?led 燈控制信號

? btn_deb_fix.v 按鍵消抖模塊接口列表：

端口	I/O	位寬	描述
?BTN_WIDTH	?parameter	4	?案件數量
?sys_clk	?input	1	?系統時鐘 25MHZ
?rst_n	?input	1	?全局復位
?btn_in	?input	BTN_WIDTH	?用戶按鍵輸入
?btn_deb_fix	?output	BTN_WIDTH	?按鍵消抖后的輸出(脈沖信號)

4.工程說明

? 該工程框架如下所示：

? ? ??本次工程主要完成按鍵控制 led 的狀態。按鍵 0 控制 led0 閃爍，按鍵 1 控制 led1 亮滅。首先，key0 和 key1 均會經過按鍵消抖模塊，因為開發板上使用的是機械按鍵，所以每次按下均會產生抖動，如果不進行消抖，會造成誤判。經過消抖后，每次按下按鍵均會產生持續一個 clk 的高電平即key0_flag和key1_flag。key0_flag控制是否打開 1s計數器來開啟 led0 的閃爍，key1_flag 直接控制 LED1 翻轉，每按下一次 key1，led 的狀態翻轉一次。

5.代碼模塊說明

 //key0->led0 閃爍//key1->key1 翻轉module top(input wire sys_clk , //系統時鐘 25MHZinput wire key0 , input wire key1 , output reg led_0 , output reg led_1);//--------------------------------parameter-------------------------------- parameter   CNT_MAX = 32'd25_000_000 ; //1s 計數//----------------------------------reg---------------------------------- reg [7:0]   rsn_cnt =0 ; //復位計數器reg [31:0]  cnt_1s ; //計數器reg led0_en ; //led0 閃爍使能//----------------------------------wire---------------------------------- wire        rst_n ; //復位信號,低電平有效wire        key0_flag ; //按鍵按下后的上升沿wire        key1_flag ; //按鍵按下后的上升沿//-----------------------------always & assign----------------------------- //產生復位always@(posedge sys_clk) beginif(rsn_cnt >=100)rsn_cnt <= rsn_cnt;elsersn_cnt <= rsn_cnt + 1'b1;endassign rst_n = (rsn_cnt>=100)?1'b1:1'b0 ;//每按下一次 key0 進行一次翻轉always@(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)led0_en <= 1'd0;else if(key0_flag)led0_en <= ~led0_en;end//計數 1salways@(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)cnt_1s <= 32'd0;else if(led0_en) //led0 閃爍使能beginif(cnt_1s == CNT_MAX-1) //1 秒cnt_1s <= 32'd0;elsecnt_1s <= cnt_1s + 1'b1;endelsecnt_1s <= 32'd0;end//led0  1s 閃爍always@(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)led_0 <= 1'd0;else if(led0_en)beginif(cnt_1s == CNT_MAX-1) //1s 翻轉 ledled_0 <= ~led_0;elseled_0 <= led_0;endelseled_0 <= 1'd0;end//led1 翻轉always@(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)led_1 <= 1'd0;else if(key1_flag)led_1 <= ~led_1;end//-----------------------------instance----------------------------- //按鍵消抖模塊btn_deb_fix#(.BTN_WIDTH ( 4'd2 ) //2 個按鍵)u_btn_deb_fix(.sys_clk ( sys_clk ), .rst_n ( rst_n ), .btn_in ( {key1,key0} ), .btn_deb_fix ( {key1_flag,key0_flag} ));endmodule

? ? ?CNT_MAX定義了一個最大的計數值，由于我們的系統時鐘是 25MHZ，也就是25000000，所以要讓 LED 實現 1s 閃爍的話就是從 0 計數到 24999999 的時候讓 led 進行一次翻轉。?

? ? ?在 26-31 行中，利用系統時鐘計數 100 個周期后產生了一個復位信號用來給后續模塊和時序邏輯提供復位。

? ? ?在 43-55 行中，當 led0_en 拉高時才開始計數一秒。否則計數器一直保持 0。

? ? ?在 82-89 行中，例化了一個按鍵消抖的模塊，按鍵按下并松開后將產生一個脈沖信號即 key0_flag，key1_flag，其中 key_0flag 控制 led0 閃爍，key1_flag 控制 led1 翻轉。

 //按鍵消抖`define UD #1module btn_deb_fix#(parameter BTN_WIDTH = 4'd8 //按鍵數量)( input                    sys_clk , input  wire              rst_n , input   [BTN_WIDTH-1:0]  btn_in , output reg [BTN_WIDTH-1:0] btn_deb_fix );//----------------------------parameter---------------------------- parameter CNT_20MS_MAX = 32'd500_000 ; //20MS 計數//-------------------------------reg-------------------------------reg [23:0] cnt[BTN_WIDTH-1:0]; //計數器reg [BTN_WIDTH-1:0] btn_in_reg ; //寄存按鍵信號//打一拍always @(posedge sys_clk) beginbtn_in_reg <= btn_in;end//------------------------ 消 抖 主 要 邏 輯------------------------ genvar i;generatebeginfor(i=0;i<BTN_WIDTH;i=i+1)beginalways @(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)cnt[i] <= 24'd0;if (btn_in_reg[i] == 1'b0)   //按下時 計數 20ms 時歸零cnt[i] <= 24'd0;else if(cnt[i]==CNT_20MS_MAX)   //抖動區間有效時計數cnt[i] <= cnt[i];elsecnt[i] <= cnt[i] + 1'b1;endalways @(posedge sys_clk) beginif(!rst_n)btn_deb_fix[i] <= 1'd0;else if(cnt[i]==CNT_20MS_MAX-1) //消抖后輸出一個 clk 的高電平btn_deb_fix[i] <= 1'b1;elsebtn_deb_fix[i] <= 1'b0;endendendendgenerateendmodule

? ? ? ?該部分為按鍵消抖模塊，parameter 定義了按鍵輸入的數量，模塊的輸出將產生一個脈沖信號即產生一個持續一個 clk 的高電平信號。

? ? ? ?在 30-50 行中，cnt 會不斷進行 20ms 的計數，當按鍵按下時，cnt 歸 0，從 0 開始計數直到 20ms。當計數到 20ms 的時候，就輸出一個 clk 的高電平，即將 btn_deb_fix 置 1，并讓其只保持一個 clk。

6.實驗步驟

? ? ? 這里將會詳細介紹從新建工程到下載程序的具體步驟，后續的工程將不再詳細解釋。

6.1. 打開 PDS 軟件，創建工程

? Step1：打開 PDS 軟件，點擊 NEW Project，然后對其設置完成新建工程。

? Step2：單擊 NEXT

?Step3：創建名為 led_water 的工程到對應的文件目錄，之后單擊 Next。

? ? ?新建工程大致包括設置工程名和工程路徑、工程類型、工程文件及器件信息。

? ? 【Project Name】是工程文件名稱，默認為 project。（只允許字母、數字、下劃線（_）、杠（-）、點（.））。

? ? 【Project Location】用于選擇新工程的工作路徑，文件夾名只允許字母、數字、下劃線

? ? （_）、杠（-）、點（.）、@、~、，、+、=、#、空格（），但空格不能出現在路徑名首尾，即工程文件放置的路徑。

? ? 【Create Preject Subdirectory】將工程文件名作為工作目錄的一部分。

?Step4：選擇 RTL project，點擊 Next。

? ? 【RTL Project】用于創建 RTL 工程。新建的工程可以執行 synthesize，device map，place& route，report timing，report power，generate netlist 及 generate bitstream 等。

? ? 【Post-Synthesize Project】用于創建綜合后工程。新建的工程可以執行 device map， place& route，report timing，report power， generate netlist 及 generate bitstream 等。

?Step5：單擊 Next

? ? ?該界面可以 Add Files 和 Add Directories 來添加 rtl 源文件及新建 rtl 源文件，以及調整 rtl 文件編譯順序，Add Files 添加選中的文件，Add Directories 添加選中的文件夾下所有合適的文件，若勾選了下方的 Add source from subdirecotires 則添加所有的子目錄下合適的文件，也可直接 NEXT 跳過添加文件。

?Step6：單擊 Next

?Step7：單擊 Next

?Step8：選擇器件系列、型號、封裝、速率、綜合工具，之后單擊 Next

synthesize tool 中可以選擇綜合工具為 Synplify Pro 或 ADS，在實驗中使用 ADS 綜合工具。

?Step9：在 summary 單擊 Finish，完成工程的創建

6.2. 添加設計文件

? PDS 軟件界面如下圖：

? ? ? ?雙擊 Designs，將前面設計的 module 新建到文件中，或者將前面編輯好的 verilog 文件添加到工程中：

? ? ?添加文件到工程：

? ? ?在窗口中點擊 Add Files，選擇添加文件到工程；

? ? 新建文件到工程：

? ? 1）在窗口中點擊 Create File；

? ? ??2）選擇 Verilog Design File，文件名和 module 名一致，默認路徑，點擊 OK；

? ? ? 3）點擊 OK；

? ? ?4）點擊 Cancel；

? ? ?5）默認打開新建文件，將前面設計的代碼復制進去，

?6）點擊保存，新建文件完成

?Crtl+s 保存。

雙擊 Designs。

? ? ?點擊 Add Files；

添加 btn_deb_fix.v 模塊，即按鍵消抖模塊。

? ? 點擊 OK。?

6.3. 編譯

??可采用以下方式運行 Compile 流程：

（1）雙擊 Flow 中的 Compile 進行綜合；

（2）右擊 Compile 點擊 Run 進行綜合；

6.4. 工程約束

? ? 點擊 Tools 選擇 User Constraint Editor(Timing and Logic)或者點擊工具欄圖標，User Constraint Editor(Timing and Logic) 選擇 Pre Synthesize UCE，如下圖所示。

? ? ?Tools 下的 User Constraint Editor(Timing and Logic)

6.4.1. 時鐘約束

? ? ?打開 UCE 后，選擇 Timing Constraints 后選擇 Create Clock 添加基準時鐘，基準時鐘一般是通過輸入 port 輸入用戶所使用的板上時鐘。

? ? ?在彈窗中對時鐘命名，關聯時鐘管腳，添加時鐘參數，點擊 OK 會創建一條時鐘約束，Reset 重置該頁面。創建完成如下圖所示：

? ? ?提供給開發板的時鐘是 25MHZ，即周期為 40ns。

6.4.2. 物理約束

? ? 打開 UCE 后，選擇 Device 后選擇 I/O，根據原理圖編輯 IO 的分配。

按照原理圖編輯好 IO 分配后，點擊保存，會生成.fdc 文件，完成約束。

6.5. 綜合

? 運行 Synthesize 流程有以下四種方式可以實現：

（1）雙擊 Flow 中的 Synthesize 進行綜合；

（2）右擊 Synthesize 點擊 Run 進行綜合；

完成 Synthesize 操作后，會看到下圖所示：

6.6. Device Map

? ?Device Map 的主要作用是將設計映射到具體型號的子單元上（LUT、FF、Carry 等）。

? ?運行 Device Map 流程有以下方式可以實現：

（1）直接雙擊 Device Map；

（2）右擊 Device Map 點擊 Run；

? 完成 Device Map 操作后，會看到下圖所示：

6.7. Place & Route

? 布局布線（Place & Route）根據用戶約束和物理約束，對設計模塊進行實際的布局及布線。

? 運行 Place & Route 流程有以下方式可以實現：

（1）直接雙擊 Place & Route；

（2）右擊 Place & Route 點擊 Run；

? 完成 Device Map 操作后，會看到下圖所示：

6.8. Generate Bitstream

? Generate Bitstream 生成二進制位流文件。運行 Generate Bitstream 流程有以下方式可以實現：（1）直接雙擊 Generate Bitstream；

（2）右擊 Generate Bitstream 點擊 Run；

? 完成以上操作，將會產生位流文件。

? 運行 Generate Bitstream，可以看到界面如下圖所示：

6.9. 下載生成的位流文件

點擊 Tools 選擇 Configuration 或者點擊工具欄圖標 Configuration，如下圖所示。

Tools 下的 Configuration

? ? 工具欄 Configuration 圖標

? ? 打開 Configuration 后直接選擇 Scan Device 直接進行掃描 Jtag 鏈操作，初始化鏈成功，會將鏈上掃描到的所有器件顯示于工作區內，并在器件屬性窗口顯示當前器件的器件信息，并彈出對話顯示能夠為器件添加的配置文件：

初始化鏈成功

在對話框中選擇位流文件，添加該配置文件，提示所載入文件的絕對路徑并在信息欄中顯示，如下圖所示：

? ? 下載位流文件

? ? ?當發現這 4 個信號均為 1 時，表示下載成功。

? ? ?同時，開發板也配置了一個外部 flash，其中，若需要將程序固化到板卡上需要將尾流文件轉化為.sfc 文件。

? ? ?首先點擊 Configuration 頁面的 Operations 選項的 Covert File 選項。

? ? ? ?點擊后會出現如下畫面，在Generate Flash Programing File頁面選擇對應的Flash 器件的廠商名、型號、再在 BitStreamFile 位置選擇位流文件的路徑，點擊 OK。（若使用的 flash 器件不在可選的 flash 列表中，需手動添加對應 flash 型號，操作步驟請參考開發板下載與固化相說明）