FPGA入门实例一：LFSR

一：任务：

要求使用Verilog语言在Xilinx Virtex-6开发板上实现线性反馈移位寄存器（LFSR）的硬件逻辑设计。

二：前期准备：

基本上完成一个简单的设计需要用到以下几个软件

逻辑：Uedit32（硬件狗吐血推荐）

综合：ISE14.1

仿真：Modelsim SE 10.1b

分析：Chipscope Pro

三：设计流程

逻辑：

首先当然是RTL级设计，俗称硬件逻辑设计。使用的是Uedit32，这个软件相当于一个记事本，但编辑功能十分强大，简直是写Verilog代码的神器，具体下载安装，使用技巧详见（http://blog.163.com/bubble_fish/blog/static/23724712920146180178713/）。见识了Uedit32的方便快捷后，在写代码之前，小编给大家说几个注意事项。工作过的朋友肯定知道，公司里是很强调代码书写规范的，特别是对于大的设计。如果不按规范做，一个月后调试发现错误，回头再看自己写的代码，估计很多信号都忘了，更不要说检错了；如果一个项目做了一半离职了，接班的人估计得从头开始设计；如果在原版本基础上增加新功能，很可能也要从头来过，很难做到设计的可重用性。这里有一份组长在我第一天实习时就给我的Verilog书写规范，分享给大家，真心希望跟我一样的小白在写代码之前仔细阅读（http://blog.163.com/bubble_fish/blog/static/237247129201461692652979/）。了解书写规范后，我们对任务进行分析。线性反馈移位寄存器（LFSR）的工作原理及应用详见博文（http://blog.sina.com.cn/s/blog_62d9edac01015lsd.html）。以下是Verilog源码：

 1 module    LFSR    
 2 (    
 3 input                         usr_clk, //时钟
 4 input                         rst,  //复位
 5 output reg [2:0]              dout  //data_out
 6 );
 7 
 8 parameter    INIT = 3\'h1; //初始值
 9 parameter    COFF = 3\'h4; //生成多项式
10 
11 reg [2:0]  dout_next;   
12 always @ (posedge usr_clk or posedge rst) 
13     if(rst)       dout <=  INIT;  
14     else          dout <=  dout_next;
15 
16 integer i;
17 always@(*)
18 begin
19 dout_next[0] <= dout[2];
20 for(i=1; i<3; i=i+1)
21     if(COFF[3-i])        dout_next[i] <= dout[i-1]^dout[2];
22     else                 dout_next[i] <= dout[i-1];
23 end
24     
25 endmodule

综合：

对于xilinx的开发板，使用ISE做为综合工具。软件的使用方法不作介绍，网上一搜一大把。这里只给大家留一个附件，包含全部工程文件和.ucf用户约束（http://download.csdn.net/download/yuzeren48/7644573）。

图1：综合界面

根据LFSR工作原理加上自己定义的参数COFF（3’b100），可知整个LFSR是由一个异或门和三个触发器构成，我们点开Synthesize-XST下的View RTL Schematic，即可看到由代码生成的门级电路，与预期一致。

图2：RTL Schematic

仿真：

ISE是自带仿真软件Isim的，但实际使用效果不是很好。所以我们采用更专业的modelsim来做仿真。Modelsim的具体安装、配置说明详见（请自行百度，如有问题请留言小编）。配置好modelsim后，我们需要写一个testbench来对我们刚才的设计做验证，testbench的作用其实就是给原设计添加各种输入激励信号，然后观察输出信号的波形。具体怎么写testbench请自行百度《编写高效率的testbench》。这里给出本设计的testbench源码

 1 `timescale 1 ns / 1 ns
 2 
 3 module lfsr_tb;
 4 
 5 reg                     rst;
 6 reg                     usr_clk;
 7 wire [2 : 0]            dout    ;
 8 
 9 LFSR  UUT (
10         .rst        (rst),
11         .usr_clk    (usr_clk),
12         .dout       (dout)
13         );
14 
15 always #20     usr_clk = ~usr_clk;
16 
17 initial begin
18         $display("lfsr_tb start...");
19         rst = 1;
20         usr_clk = 0;
21         #100;
22         rst = 0;
23         #10000;
24         $stop;
25         end
26 
27 endmodule

下面小编给大家简单写一下modelsim的仿真步骤。

1、新建一个Sim文件夹，将需要用到的源文件文件，testbench文件（.h .v）放进去

2、打开modelsim，File-New-Project

3、把目录指定为刚才建好的文件夹，添加.v文件到Project中

4、对Project中的.v文件右键，选择Compile-Compile All

5、选择Library标签，找到work，点击+展开

6、对已经编译好的.v文件右键，选择simulate without optimization

7、此时会弹出Sim标签栏，对要仿真的文件右键，选择Add wave

8、设定仿真时间，例如1000ns

9、点击工具栏按钮Run

图3展示LFSR仿真结果

图3： LFSR仿真波形

分析：

分析用到的软件主要是Chipscope pro，Chipscope的使用方法详见（百度文库搜索“ChipScope Pro实例教程”）。它跟modelsim的主要区别在于这是真正的板级调试。我们需要根据不同的开发板编写用户约束文件（.ucf），经过ISE综合，布局布线后生成bit文件写入FPGA。ChipScope Pro 的主要功能是通过JTAG 口、在线实时地读出FPGA 的内部信号。这里就有一个问题产生：为什么要用ChipScope来观察信号？我们把输入信号直接连上LED，观察LED的亮灭不就知道信号是怎么跳变的吗？小编就用我们刚编写的实例来简单解释一下这个问题：我们开发板使用的时钟信号是33MHz，dout在每个时钟上升沿都会发生一次跳变，一秒钟会发生33000000次跳变，这种高速跳变肉眼无法分辨，所以根本无法通过LED的亮灭来观测dout变化。图4左上角即为LED显示的dout变化。

图4 板级调试

针对本次设计任务，尽可能多的说明chipscope的用途。决定同时使用ICON核、ILA核、VIO核来分析输入输出信号。具体的操作步骤详见博文（http://blog.163.com/bubble_fish/blog/static/237247129201461682452592/）。图5为检测到的数据波形。

图5 chipscope抓包截图

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