差别
这里会显示出您选择的修订版和当前版本之间的差别。
两侧同时换到之前的修订记录 前一修订版 后一修订版 | 前一修订版 | ||
lattice_fpga [2021/09/13 23:30] gongyu [1 特性] |
lattice_fpga [2022/06/23 01:06] (当前版本) gongyu [设计工具及设计流程] |
||
---|---|---|---|
行 1: | 行 1: | ||
- | ## Lattice Semiconductor的MachXO2系列FPGA | + | ## Lattice的MachXO2系列FPGA的使用 |
{{ :machxo2-bga-chip_two-sided.png?200|}} | {{ :machxo2-bga-chip_two-sided.png?200|}} | ||
在我们的学习系统中我们选用了[[Lattice Semiconductor]]公司的[[http://www.latticesemi.com/en/Products/FPGAandCPLD/MachXO2.aspx|MachXO2]]系列[[FPGA]],主要出于以下几方面的考虑: | 在我们的学习系统中我们选用了[[Lattice Semiconductor]]公司的[[http://www.latticesemi.com/en/Products/FPGAandCPLD/MachXO2.aspx|MachXO2]]系列[[FPGA]],主要出于以下几方面的考虑: | ||
行 8: | 行 8: | ||
本节我们来看看我们选用的这个系列的FPGA有哪些特点以及应用领域。 | 本节我们来看看我们选用的这个系列的FPGA有哪些特点以及应用领域。 | ||
- | ### 1 特性 | + | ### 硬件部分 |
+ | #### 1 MachXO2 FPGA硬件特性 | ||
* 灵活的逻辑架构,256-6864个查找表(LUTs),18-334个输入输出管脚(PIOs) | * 灵活的逻辑架构,256-6864个查找表(LUTs),18-334个输入输出管脚(PIOs) | ||
* 超低功耗 - 采用先进的65nm低功耗工艺,等待状态时功耗低至22μW,具有可编程、低摆动的差分I/O | * 超低功耗 - 采用先进的65nm低功耗工艺,等待状态时功耗低至22μW,具有可编程、低摆动的差分I/O | ||
行 22: | 行 23: | ||
* 最小封装为2.5mmx2.5mm | * 最小封装为2.5mmx2.5mm | ||
- | ### 2 XO2 FPGA的结构 | + | #### 2 XO2 FPGA的结构 |
{{ :machxo2structure.png |}} <WRAP centeralign> MachXO2内部结构功能 </WRAP> | {{ :machxo2structure.png |}} <WRAP centeralign> MachXO2内部结构功能 </WRAP> | ||
行 42: | 行 43: | ||
- | ### 3 资源 | + | #### 3 XO2 FPGA的资源 |
上面我们介绍了MachXO2内部的结构,XO2系列不同的型号内部结构是相同的,但资源的多少则取决于所选择的型号,在设计中我们需要根据资源的需求来选用合适的器件,了解到这些器件的资源配置对于我们设计也是有帮助的,可以充分利用器件内部的资源简化外围电路的设计,同时也要知道器件内部的局限性,在外围进行扩展。在我们小脚丫2.0版本中我们选用了XO2-4000的型号(参见MachXO2选型表),它具有如下资源: | 上面我们介绍了MachXO2内部的结构,XO2系列不同的型号内部结构是相同的,但资源的多少则取决于所选择的型号,在设计中我们需要根据资源的需求来选用合适的器件,了解到这些器件的资源配置对于我们设计也是有帮助的,可以充分利用器件内部的资源简化外围电路的设计,同时也要知道器件内部的局限性,在外围进行扩展。在我们小脚丫2.0版本中我们选用了XO2-4000的型号(参见MachXO2选型表),它具有如下资源: | ||
* 4320个查找表 | * 4320个查找表 | ||
行 69: | 行 70: | ||
^内核电压Vcc 2.5 - 3.3 V |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC | | ^内核电压Vcc 2.5 - 3.3 V |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC |HC | | ||
- | ### 4 管脚分配 | ||
- | + | #### 4 主要应用领域 | |
- | ### 5 主要应用领域 | + | ##### 4.1 微处理器的接口扩展 |
- | #### 5.1 微处理器的接口扩展 | + | |
* 为低成本的微控制器增加通用IO以节省成本 | * 为低成本的微控制器增加通用IO以节省成本 | ||
* 为系统控制处理器增加SPI和I2C接口 | * 为系统控制处理器增加SPI和I2C接口 | ||
行 80: | 行 79: | ||
{{ :microprocessor_interface_expansion.png |}} | {{ :microprocessor_interface_expansion.png |}} | ||
- | #### 5.2 提高实时性要求较高的功能的性能 | + | ##### 4.2 提高实时性要求较高的功能的性能 |
* 在系统上电时通过快速启动逻辑精确地控制信号 | * 在系统上电时通过快速启动逻辑精确地控制信号 | ||
* 可以配置PWM功能以精确产生照明和马达控制所需要的模拟电压 | * 可以配置PWM功能以精确产生照明和马达控制所需要的模拟电压 | ||
行 87: | 行 86: | ||
{{ :timing_offload.png |}} | {{ :timing_offload.png |}} | ||
- | #### 5.3 通过硬件加速提高系统的性能 | + | ##### 4.3 通过硬件加速提高系统的性能 |
* 通过基于逻辑的信令过滤机制降低处理器的负荷 | * 通过基于逻辑的信令过滤机制降低处理器的负荷 | ||
* 可以通过最小的处理器消耗实现图像的旋转、缩放以及合并 | * 可以通过最小的处理器消耗实现图像的旋转、缩放以及合并 | ||
{{ :hardware_acceleration.png |}} | {{ :hardware_acceleration.png |}} | ||
- | ### 6 开发工具 | + | ### 设计工具及设计流程 |
+ | |||
+ | #### 1 Lattice Diamond集成化开发环境 | ||
+ | 参考[[软件安装及配置|Diamond安装及配置]]安装好Diamond,如果遇到问题可以先看看[[常见错误|Diamond安装常见问题解答]]。现在我们就可以使用Diamond软件开始FPGA的设计了,整个设计流程参照下图。 | ||
+ | |||
+ | {{ :diamind_design_flow.png?600 |Diamond软件设计流程}} <WRAP centeralign>采用Diamond设计FPGA逻辑的基本流程 </WRAP> | ||
+ | |||
+ | #### 2 运行第一个例程 | ||
+ | |||
+ | ------ | ||
+ | 下面我们可以开始可编程逻辑的开发,我们以控制LED交替闪烁为例,完成自己的第一个程序: | ||
+ | - 双击运行Diamond软件,首先新建工程:选择File →New →Project →Next {{ :diamond16.png |}} | ||
+ | - 工程命名:我们将新工程命名为LED_shining,工程目录F:/LED_shining,然后点击Next {{ :diamond17.png |}} | ||
+ | - 添加相关设计文件或约束文件(如果已经有设计文件和约束文件,我们可以选择添加进工程):这里我们新建工程,没有相关文件,不需添加,直接Next{{ :diamond18.png |}} | ||
+ | - **器件选择**:按照Step FPGA开发板器件LCMXO2-4000HC-4MG132C配置,Next(器件型号必须确认正确,否则在管脚设置时会报错){{ :diamond19.jpg |}} | ||
+ | - 选择综合工具:Synplify Pro(第三方)和Lattice LSE(原厂)都可以,我们就使用Lattice LSE,直接Next{{ :diamond20.png |}} | ||
+ | - 工程信息确认:上面选择的所有信息都在这里,确认没有问题,直接Finish{{ :diamond21.jpg |}} | ||
+ | - 工程已经建好,我们下面添加设计文件, 选择File →New →File{{ :diamond22.png |}} | ||
+ | - 选择Verilog Files(选择自己使用的硬件描述语言),Name填写LED_shining,然后点击New,这样我们就创建了一个新的设计文件LED_shining.v,然后我们就可以在设计文件中进行编程了{{ :diamond23.png |}} | ||
+ | - 程序源码已经准备好,如下,将代码复制到设计文件LED_shining.v中,并保存。 | ||
+ | |||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | module LED_shining ( | ||
+ | input clk, //clk = 12mhz | ||
+ | input rst_n, //rst_n, active low | ||
+ | output led1, //led1 output | ||
+ | output led2 //led2 output | ||
+ | ); | ||
+ | |||
+ | parameter CNT_1S = 12_000_000 - 1; //time 1S | ||
+ | parameter CNT_05S = CNT_1S >> 1; //time 0.5S | ||
+ | |||
+ | reg [23:0] cnt; | ||
+ | always @(posedge clk or negedge rst_n) begin | ||
+ | if (!rst_n) cnt <= 1'b0; | ||
+ | else if (cnt >= CNT_1S) cnt <= 1'b0; | ||
+ | else cnt <= cnt + 1'b1; | ||
+ | end | ||
+ | |||
+ | wire clk_div = (cnt>CNT_05S)? 1'b1 : 1'b0; | ||
+ | |||
+ | assign led1 = clk_div; | ||
+ | assign led2 = ~clk_div; | ||
+ | |||
+ | endmodule | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | - 程序编写完成,需要综合,在软件左侧Process栏,选择Process,双击Synthesis Design,对设计进行综合,综合完成后Synthesis Design显示绿色对勾(如果显示红色叉号,说明代码有问题,根据提示修改代码),如图{{ :diamond24.jpg |}} | ||
+ | - 通过综合工具,我们的代码就被综合成了电路,生成的具体电路,我们可以通过选择Tools → Netlist Analyzer查看(仅限Lattice的综合工具,第三方综合工具无法查看),如图{{ :netlist_analyzer.jpg |netlist_analyzer}} | ||
+ | - 综合生成电路后,分配管脚,选择Tools → Spreadsheet View,按照下图分配FPGA管脚,然后设置IO_TYPE为LVCMOS33,保存,界面如下{{ :diamond25.jpg |}} | ||
+ | - 在软件左侧Process栏,选择Process,勾选所有选项,直接双击Export Files,所有布局布线输出依次完成,结束后,所有选项显示绿色对勾。{{ :diamond27.png |}} | ||
+ | |||
+ | 到这里完成了第一个程序流文件的生成,下面可以下载到FPGA中。 | ||
+ | |||
+ | #### 3 工程仿真 | ||
+ | |||
+ | ------ | ||
+ | 上面我们走了整个工程开发的过程,例程较为简单,对于复杂的工程开发需要预仿真和后仿真等,保证最终的程序设计逻辑和时序符合我们的设计要求。 | ||
+ | 仿真软件很多,这里我们使用软件自带的Modelsim软件进行功能仿真: | ||
+ | - 首先我们添加testbench文件,和前面添加设计文件一样,File →New→File →Verilog Files,Name填写,然后New,{{ :diamond28.png |}} | ||
+ | - 测试源码如下,复制到LED_shining_tb.v文件并保存。为了方便仿真,我们在LED_shining_tb.v调用LED_shining模块时将CNT_1S重新赋值为19: | ||
+ | |||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | `timescale 1ns / 100ps | ||
+ | module LED_shining_tb; | ||
+ | |||
+ | parameter CLK_PERIOD = 10; | ||
+ | |||
+ | reg clk; | ||
+ | initial clk = 1'b0; | ||
+ | always #(CLK_PERIOD/2) clk = ~clk; | ||
+ | |||
+ | reg rst_n; //active low | ||
+ | initial begin | ||
+ | rst_n = 1'b0; | ||
+ | #20; | ||
+ | rst_n = 1'b1; | ||
+ | end | ||
+ | |||
+ | wire led1,led2; | ||
+ | LED_shining #(.CNT_1S ( 19 )) u_LED_shining ( | ||
+ | .clk ( clk ), | ||
+ | .rst_n ( rst_n ), | ||
+ | |||
+ | .led1 ( led1 ), | ||
+ | .led2 ( led2 ) | ||
+ | ); | ||
+ | |||
+ | endmodule | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | - 然后在软件左侧Process栏,选择File List,找到LED_shining_tb.v(必须保存过),点击右键,选择Include for →Simulation {{ :diamond28.jpg |}} | ||
+ | - 准备工作完成,我们选择Tools →SimulationWizard →Next, | ||
+ | - 5) 建立仿真工程,Lattice Diamond 3.12版本软件自带ModelSim仿真工具,直接调用ModelSim(默认),工程名称:LED_shining_tb,工程路径默认即可:然后点击Next,{{ :diamond29.jpg |}} | ||
+ | - 选择RTL,然后Next{{ :diamond30.jpg |}} | ||
+ | - 勾选Copy Source toSimulation Directory,然后Next{{ :diamond31.jpg |}} | ||
+ | - 点击Next{{ :diamond32.jpg |}} | ||
+ | - 点击Finish,等待仿真软件的自动运行{{ :diamond33.jpg |}} | ||
+ | - ModelSim软件启动,可以直接查看testbench文件中变量的时序变化,想要看LED_shining模块中的变量的时序,可以通过下图中的步骤添加信号至WAVE窗口。 | ||
+ | |||
+ | {{ ::led_shining.png |}} | ||
+ | - 在WAVE窗口仿真相应的时间长度,观察信号的时序{{ :diamond331.jpg |}} | ||
+ | |||
+ | |||
+ | #### 4 下载程序到FPGA | ||
+ | |||
+ | [[STEP-MXO2第二代|STEP MXO2 V2]]的编程芯片已经集成到小脚丫开发板上,因此只需要一根Micro USB线和电脑相连,就可以完成供电和编程的功能,驱动安装好以后就可以开始编译下载程序了。 | ||
+ | 将编译完成的程序下载到开发板: | ||
+ | - 将开发板、下载器和电脑连接,如图{{ :下载程序.jpg |}} | ||
+ | - 选择Tools →Programmer,选择下载器HW-USBN-2B(FTDI),然后点击OK,{{ :diamond35.jpg |}} | ||
+ | - 进入Programmer界面{{ :diamond36.jpg |}} | ||
+ | - 在Programmer界面,点击右侧Detect Cable,自动检测Cable 显示HW-USBN-2B(FTDI),然后点击下图中Program{{ :diamond37.jpg |}} | ||
+ | - 显示PASS,加载完成,观察StepFPGA的LED交替闪烁,成功了。{{ :diamond38.jpg |}} | ||
+ | |||
+ | #### 5 STEP MXO2入门教程 | ||
+ | |||
+ | 到这里我们了解了用Diamond软件进行开发的完整流程。接下来我们开始[[STEP-MXO2入门教程]]一步一步进入可编程逻辑设计。 | ||
- | #### 6.1 Lattice Diamond集成化开发环境 | ||
- | - [[软件安装及配置|Diamond安装及配置]],包括软件的下载、License的申请以及软件的安装整个过程。 | ||
- | - [[Lattice Diamond的使用]],以最简单的[[点亮LED灯]]为例,简单介绍了一下该软件从编辑输入开始到最终的bitstream下载到FPGA。 | ||
- | ### 7 相关设计文档 | + | ### 相关设计文档 |
* [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=38834|MachXO2数据手册]] | * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=38834|MachXO2数据手册]] | ||
* [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39085|MachXO2编程和配置指南]] | * [[http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=39085|MachXO2编程和配置指南]] |