何宾 2008.10

1. EDA原理及应用 何宾 2008.10

2. 第六章 第 6章 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。

3. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 图6.1 ISE的主界面 图6.1给出了ISE的主界面窗口。ISE的主界面可以分为4个子窗口。

4. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 　 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。

5. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 ●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。

6. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 ●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）。

7. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 ●3、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。

8. 基于HDL的设计输入-软件环境 第六章 • 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。

9. 基于HDL的设计输入-综合工具介绍 第六章 • EDA设计人员可以使用不同的综合工具综合设计。下面将介绍ISE支持的综合工具，并包括与综合工具相关的属性设置。 • 1、精确的综合工具 • 这种综合工具不属于ISE软件包的一部分，如需使用必须单独购买。两个通常使用的属性是优化目标和优化级别。通过选择这两种属性来控制综合结果：面积或速度，以及综合器运行时间。这种综合工具对HDL和原理图设计流程均可使用。

10. 基于HDL的设计输入-综合工具介绍 第六章 2、Synplify/Synplify pro工具 这种综合工具不属于ISE的一部分，如需使用必须单独的购买。这种综合工具只能用于基于HDL语言的设计流程，而不能用于基于原理图的设计流程。 3、XST综合工具 这种综合工具是ISE软件包的一部分，是Xilinx公司自己的综合工具。这种综合工具对基于HDL语言和原理图的设计流程均可使用。

11. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 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 /tutorials9.htm资源下载）。 1、在桌面上，双击ISE9.2的图标或者在开始菜单->所有程序->XilinxISE9.1->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；

12. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 图6.2 创建新工程的界面

13. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 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；

14. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 图6.3 芯片属性界面

15. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 图6.4 添加源的界面 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； 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；

16. 基于HDL的设计输入-工程建立 第六章 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；

17. 基于HDL的设计输入-设计描述 第六章 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。

18. 基于HDL的设计输入-设计描述 第六章 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；

19. 基于HDL的设计输入-设计描述 第六章 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；

20. 基于HDL的设计输入-设计描述 第六章 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。

21. 基于HDL的设计输入-设计描述 第六章 3、该设计有以下功能模块： • 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。

22. 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 第六章 • 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。

23. 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 第六章 图6.5 新建工程的源文件窗口

24. 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 第六章 • 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；

25. 基于HDL的设计输入-添加设计和检查 第六章 • 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。

26. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 • 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。

27. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 图6.6 新建文件窗口

28. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 • 在窗口左边选择VHDL Module，其它选项分别完成调试文件建立、IP核建立、用户约束文件建立、原理图建立、状态图建立、HDL文件建立、HDL测试文件建立、HDL库建立和HDL测试波形文件建立。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；

29. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 图6.7 新建文件向导窗口

30. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 • 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；

31. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 图6.8 ISE的文件编辑器界面

32. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 • 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

33. 基于HDL的设计输入-创建基于HDL的模块 第六章 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。

34. 基于HDL的设计输入- IP核产生和例化 第六章 • 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。

35. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的生成 第六章 • 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；

36. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的生成 第六章 • 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：

37. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的生成 第六章 图6.9 IP选择界面

38. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的生成 第六章 图6.10 分布式IP核产生器设置界面

39. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的生成 第六章 • 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。

40. 基于HDL的设计输入- DCM模块的生成 第六章 • 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 v9.1i，点击next和finish按钮；

41. 基于HDL的设计输入- DCM模块的生成 第六章 • 3、弹出Xilinx Clock Wizard-General Setup界面，在该界面进行下面的设置，输入时钟为50MHz,输入时钟clkin Source选择External, 相位移动Phase Shift选择NONE，反馈源Feed back Source选择Internal。然后单击确定，生成DCM的IP核；

42. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的例化 第六章 • 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。

43. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的例化 第六章 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;

44. 基于HDL的设计输入 - DCM模块的例化 第六章 • 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); • 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));

45. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的例化 第六章 • 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。

46. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的例化 第六章 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;

47. 基于HDL的设计输入 - timer_preset模块的例化 第六章 • 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);

48. 第6章　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。