FPGA Vivado设计流程

今天给大侠带来Vivado设计流程，话不多说，上货。

本篇通过创建一个简单的HDL工程，学会使用Vivado集成开发环境。学会如何使用Vivado进行设计、仿真、综合以及实现一个项目，生成比特流文件并下载到 FPGA开发板。

• 在Vivado中创建一个新的HDL工程项目
• 添加引脚约束(XDC)文件
• 编写测试平台(Testbench)进行功能仿真
• 综合、实现设计工程
• 生成比特流文件，下载到 FPGA开发板进行功能验证

操作步骤

1. 创建新的工程项目。

1) 双击桌面图标打开Vivado 2017.2，或者选择开始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado 2017.2>Vivado 2017.2；

2) 点击‘Create Project’，或者单击File>New Project创建工程文件；

3) 弹出工程导向窗口，点击Next继续；

4) 将新的工程项目命名为‘lab1’，选择工程保存路径，勾选‘Create project subdirectory’，创建一个新的工程文件夹，点击Next继续；

5) 选择新建一个RTL工程，点击Next继续；

6) 使用下拉按键，将目标语言和仿真器语言都设置为Verilog；

点击左上角蓝色‘+’按键，选择‘Add Files’，或者直接点击中间的‘Add Files’按键添加源文件；

查找文件(例如：C:\Basys3_workshop\sources\lab1)，添加lab1.v文件。

添加完成后，我们可以看到lab1.v文件已经出现在列表中。如果‘Copy sources into project’没有勾选，需要勾选该选项将源文件复制到创建的工程文件夹中，点击Next继续。

7) 提示添加约束文件(Constraints)，这个将会在后面进行介绍。此处先直接点击Next继续。

8) 选择目标FPGA器件

A. 如果没有在Vivado中安装Digilent开发板文件，那么在Board一项中将无法找到Basys3。在Parts一项中选择Basys3 FPGA的芯片xc7a35tcpg236-1。可以通过筛选器帮助快速找到器件：

Family: Artix-7

Package: cpg236

Speed grade: -1

B. 如果已经安装Digilent开发板文件，那么可以在Board一项中直接找到Basys3。同样，可以通过筛选器快速找到Basys3：

Vendor：digilentinc.com

Display Name: Basys3

Board Rev: C.0

9) 完成选择后点击Next继续，下一步会显示创建工程的总结信息，如项目名称、添加的源文件以及约束文件的数量和选择的目标FPGA器件。确认信息无误后，点击Finish完成工程创建。

10) 在Sources窗格中展开Design Sources，双击lab1.v在文本编辑器中打开源文件，查看源文件内容。

11) 查看RTL级电路原理图，在左侧的Flow Navigator中依次展开RTL ANALYSIS>Open Elaborated Design，点击‘Schematic’。

2. 使用Vivado内建仿真器对设计进行功能仿真

1) 搭建测试平台，添加‘lab1_tb.v’测试平台文件。

1.1 在Vivado界面左侧的Flow Navigator一栏中展开PROJECT MANAGER，点击‘Add Sources’。

1.2 选择‘Add or create simulation sources’，点击Next继续。

1.3 点击蓝色‘+’选择‘Add Files’或者直接选择中间的‘Add Files’按键。

1.4 查找文件(例如：C:\Basys3_workshop\sources\lab1)，选择添加lab1_tb.v文件。确认‘Copy sources into project’已经勾选，点击Finish完成添加。

1.5 在Sources窗格中依次展开Simulation Sources>sim_1

lab1_tb.v文件被添加到Simulation Sources中，lab1.v作为被测实例自动的被添加到lab1_tb.v层级中。

1.6 双击‘lab1_tb.v’在文本编辑窗口中查看文件内容。

2) 使用Vivado内建仿真器对设计进行200ns仿真

2.1 在Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择‘Settings’。

2.2 弹出窗口中，在Project Settings一栏中选择‘Simulation’，目标仿真器选择‘Vivado Simulator’，在Simulation一项中将‘xsim.simulate.runtime’的值设为200ns，点击‘Apply’。

2.3 在Flow Navigator中，展开SIMULATION，点击‘Run Simulation’，选择‘Run Behavioral Simulation’。

仿真完成后，主界面如下图所示。我们可以观察到四个主要部分：（1）Scope: 显示测试平台的层级以及glbl实例；（2）Objects: 显示顶层信号；（3）波形窗口；（4）Tcl Console: 显示仿真进程。

3. 综合

1) 使用Vivado自带的综合工具对设计进行综合并分析综合结果

1.1 在Vivado界面左侧的Flow Navigator栏中展开SYNTHESIS，点击‘Run Synthesis’开始综合。

1.2 弹出窗口中可以选择电脑处理器核使用个数，允许多个任务同时进行。

1.3 综合完成后会弹出对话框，选择的‘Open Synthesized Design’，点击OK，查看综合结果。

1.4 在顶部工具栏选择Window>Project Summery，或者直接点击快捷按钮，查看项目总结报告。

1.5 在Flow Navigator中，展开SYNTHESIS>Open Synthesized Design，选择Schematic查看电路原理图。

4. 添加I/O约束

1) 手动添加I/O约束，自动生成约束文件

1.1 在顶部工具栏选择Layout>I/O Planning

1.2 Vivado会打开I/O Planning窗口，如下图所示。我们在窗口中指定Basys3的引脚和电平标准来进行I/O配置。

1.3 根据Basys3产品手册，选择相应的I/O引脚标号，Basys3物理引脚的电平标准都为3.3V，故选择‘LVCMOS33’。

1.4 选择完成后，点击保存或者‘Ctrl+S’保存修改。Vivado会弹出对话框，提示创建并保存约束(XDC)文件，我们输入文件名‘lab1_Basys3’，点击OK创建并保存。

1.5 完成后，在Sources窗格中展开Constraints>constrs_1，可以看到‘lab1_Basys3.xdc’已经被创建并添加到工程中，双击打开可以查看。

2) 直接添加约束文件

2.1 在Flow Navigator中，展开PROJECT MANAGER，选择‘Add Sources’。

2.2 在弹出窗口中选择‘Add or create constraints’，点击Next继续。

2.3 点击‘Add Files’，查找文件(例如：C:\Basys3_workshop\sources\lab1)，添加‘lab1_basys3.xdc’文件。点击Finish完成添加。

5. 实现

1) 使用Vivado工具对设计进行实现并观察实现结果

1.1 在Flow Navigator中，展开IMPLEMENTATION，点击‘Run Implementation’。

1.2 完成后，选择‘Open Implemented Design’，查看实现结果。

1.3 在Device窗口中可以查看设计在Basys3 FPGA芯片上布局布线的结果，如果Device窗口没有打开可以在顶部工具栏选择Layout>Default Layout。选中图标查看布线，在Netlist窗格中选中需要查看的线网，在Device窗口查看其布线。

6. 使用Vivado内建仿真器对设计进行时序仿真

1) 在Flow Navigator中，展开SIMULATION，点击‘Run Simulation’，选择‘Run Post-Implementation Timing Simulation’。

2) 仿真完成后，查看波形可以发现，我们在测试文件(lab1_tb.v)设置的delay是10ns，而实际的delay是9.23ns。

7. 生成比特流文件及功能验证

1) 在Flow Navigator中，展开PROGRAM AND DEBUG，点击‘Generate Bitstream’开始生成比特流文件。

2) 完成后，选择‘Open Hardware Manager’打开硬件管理器，点击OK继续。

3) 确保Basys3 JP2跳线设置为USB供电模式，连接Basys3开发板和电脑，打开Basys3开发板电源。

4) 等待设备自动完成驱动安装后，在上方点击‘Open target’，选择‘Auto Connect’连接设备。

5) 连接完成后，我们可以在Hardware窗格中找到连接的设备。

6) 点击上方的‘Program device’，在弹出的窗口中选择相应的比特流文件，点击‘Program’开始下载。

7) 下载完成后，Basys3开发板右上角的LD19(DONE)会常亮。可以通过操作拨码开关观察LED灯来验证结果。

LED4-7通过对应位置的拨码开关SW4-7控制其亮灭。

END