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--- lattice_fpga [2022/06/23 00:59]
gongyu
+++ lattice_fpga [2022/06/23 01:06] (当前版本)
gongyu [设计工具及设计流程]
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 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 MachXO2 FPGA硬件特性
+### 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）
   * 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
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   * 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>
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-### 3 XO2 FPGA的资源
+#### 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：
   * 4320个查找表
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-### 4 主要应用领域
+#### 4 主要应用领域
-#### 4.1 微处理器的接口扩展
+##### 4.1 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
   * 为系统控制处理器增加SPI和I2C接口
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 {{ :microprocessor_interface_expansion.png |}}
-#### 4.2 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
   * 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
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 {{ :timing_offload.png |}}
-#### 4.3 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
   * 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 |}}
-### 5 XO2 FPGA的设计流程及工具使用
+### 设计工具及设计流程
-#### 5.1 Lattice Diamond集成化开发环境
+#### 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。
+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。
-  - [[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。
+{{ :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>
-### 7 相关设计文档
+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。
+### 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=39085|MachXO2编程和配置指南]]