C Vivado使用入门

这里以一个通过拨码开关控制LED灯的电路设计为例，介绍基于Vivado的FPGA设计实现流程。虽然我们对这个例子的介绍是基于Vivado2019.2进行的，但这里所介绍的内容完全适用于自Vivado 2017.1版本以来的各个版本。后续的新版本，请各位读者根据工具具体情况进行尝试，但相信这里介绍基本流程及功能应该都会保留。

C.1 创建工程

通过双击桌面快捷方式或开始菜单的“Xilinx Design Tools\(\rightarrow\)Vivado 2019.2”打开Vivado 2019.2，在界面上的“Quick Start”下选择“Create Project”，如图C.1所示。

图 C.1: Vivado启动界面

这时即可新建工程向导，点击“Next”，如图C.2所示。

图 C.2: 新建工程向导

在图C.3所示界面中输入工程名称，选择工程的存储路径，并勾选“Create project subdirectory”选项，为工程在指定存储路径下建立独立的目录。设置完成后，点击“Next”。（注意：工程名称和存储路径中不能出现中文字符和空格，建议工程名称以字母、数字、下划线来组成。）

图 C.3: 设置工程名称和位置

在图C.4所示的界面中选择“RTL Project”，并勾选“Do not specify sources at this time”（勾选该选项是为了跳过在新建工程的过程中添加设计源文件，如果要在新建工程时添加源文件则不勾选这个选项）。点击“Next”。

图 C.4: 设置工程类型

在图C.5所示的界面中选择对应的FPGA目标器件。本书推荐的本地实验箱和远程实验平台的FPGA型号一样。在“Family”中选择“Artix 7”，在“Package”中选择“fbg676”，在筛选得到的型号里面选择“xc7a200tfbg676-1”。上述选择完毕后点击“Next”。

图 C.5: 选择目标器件

在图C.6所示的界面中确认工程的设置信息是否正确。如果正确，则点击“ Finish”；如果不正确，则点击“上一步”，返回相应步骤进行修改。

图 C.6: 工程信息

完成工程新建后的界面如图C.7所示。

图 C.7: 新建工程完成的界面

C.2 添加设计文件

我们以使用Verilog完成RTL设计为例来说明如何添加设计文件。Verilog代码都是以“.v”为后缀名的文件，可以先在其他文件编辑器里写好代码，再添加到新建的工程中，也可以在工程中新建一个文件再编辑它。

首先添加源文件。在“Flow Navigator”窗口下的“PROJECT MANAGER”下点击“Add sources”，或者点击“Sources”窗口下“Add Sources”按钮（参见图C.8），也可以使用快捷键“Alt + A”添加源文件。

图 C.8: 添加源文件

然后添加设计文件。选择“Add or create design sources”来添加或新建Verilog/VHDL源文件，再点击“Next”，如图C.9所示。

图 C.9: 添加设计文件

接下来添加或者新建设计文件。如添加已有设计文件或者添加包含已有设计文件的文件夹，可以选择“Add Files”或者“Add Directories”，如图C.10所示，然后在文件浏览窗口选择已有的设计文件完成添加。

图 C.10: 添加已有设计文件

如创建新的设计文件，则选择“ Create File”，如图C.11所示。接下来继续介绍采用新建设计文件方式的后续操作步骤。

图 C.11: 新建设计文件

在图C.12所示的界面中设置新创建文件的类型、名称和文件位置。注意：文件名称和位置路径中不能出现中文字符和空格。

图 C.12: 新建设计文件的设置

继续添加其他设计文件或者修改已添加的设计文件。完成后点击“Finish”，如图C.13所示。

图 C.13: 完成设计文件添加

下一步是进行模块端口设置。在“Module Def inition”中的“I/O Port Def initions”处输入设计模块所需的端口，并设置端口方向。如果端口为总线型，勾选“ Bus”选项，并通过“ MSB”和“ LSB”参数确定总线宽度。完成后点击“ OK”，如图C.14所示。端口设置若在编辑源文件时已完成，在这一步可以直接点击“OK”跳过。

图 C.14: 模块端口设置

在图C.15所示界面中双击“Sources”，在“Design Sources”下的“led.v”中打开文件，输入相应的设计代码。如果设置时文件位置按默认的<Local to Project>（见图C.12），则设计文件位于工程目录下的“\led.srcs\sources_1\new”中。完成的设计文件如图C.15所示。

图 C.15: 编辑设计文件

C.3 功能仿真

Vivado中集成了仿真器Vivado Simulator，可以用它来进行功能仿真。

首先添加测试激励文件。在“Source”中“Simulation Sources”处右击鼠标，选择“Add source”，如图C.16所示。

图 C.16: 添加测试激励文件

在“Add Sources”界面中选择“Add or create simulation sources”，点击“Next”，如图C.17所示。

图 C.17: 添加或新建测试激励文件

如果是添加已有的激励测试文件，则选择“Add Files”，如图C.18所示。

图 C.18: 添加已有测试激励文件

如果是在Vivado中新建一个激励测试文件，则选择“Create File”，如图C.19所示。接下来继续介绍采用新建激励测试文件方式的后续操作步骤。

图 C.19: 新建测试激励文件

在图C.20所示界面中输入激励测试文件名，点击“OK”。

图 C.20: 新建测试激励文件的设置

完成新建测试文件后，点击“Finish”，如图C.21所示。

图 C.21: 完成新建测试激励文件

接下来对测试激励文件进行 Module 端口定义。由于激励测试文件不需要有对外的接口，因此不用进行 I/O 端口设置，直接点击“OK”，即可完成空白的激励测试文件的创建。如图C.22所示。

图 C.22: 新建的测试激励顶层文件无需配置端口

如图C.23所示。在“ Sources”窗口下双击打开空白的激励测试文件。测试文件 led_tb.v 位于工程目录下“\led.srcs\sim_1\new”文件夹下。

图 C.23: 空白的新建测试激励文件

可以选择在Vivado的编辑器中完成测试激励文件的代码编写。本例子中写完的测试激励文件代码如图C.24所示。

图 C.24: 完成代码编写的新建测试激励文件

待激励测试文件添加或新建完毕之后，就可以进行仿真了。在左侧的“Flow Navigator”窗口中点击“SIMULATION”下的“Run Simulation”选项（如图C.25所示），选择“Run Behavioral Simulation”，进入仿真界面（如图C.26所示）。

图 C.25: 运行行为级仿真

图 C.26: 行为级仿真界面

可通过图C.26左侧“Scope”一栏中的目录结构定位到想要查看的Module内部信号，在“Objects”对应的信号名称上右击鼠标选择“Add To Wave Window”，将信号加入波形图中（如图C.27所示）。仿真器默认显示I/O信号。由于这个示例不存在内部信号，因此不需要添加其他观察信号。

图 C.27: 将内部信号添加到波形图

可通过选择工具栏中的选项来进行波形的仿真时间控制。如图C.28所示，工具条中的工具分别是复位波形（即回到仿真0时刻）、运行仿真、运行特定时长的仿真、仿真时长设置、仿真时长单位、单步运行、暂停、重启动（重新编译设计和仿真文件并重启仿真波形界面）。我们可以观察仿真波形是否符合预期功能。

图 C.28: 仿真控制工具栏

在波形显示窗口上侧是波形图控制工具，由左到右分别是：查找、保存波形配置、放大、缩小、缩放到全显示、转到光标、转到时刻0、转到最后时刻、前一个跳变、下一个跳变、添加标记、前一个标记、下一个标记、交换光标，参见图C.29。

图 C.29: 波形图控制工具栏

可通过右键选中信号来改变信号值的显示进制数。如图C.30所示，将信号改为二进制显示。

图 C.30: 仿真波形窗口

查看波形以检查设计功能的正确性，如图C.31所示。

图 C.31: 仿真波形结果

C.4 添加约束文件

添加约束文件有两种方法，一种是利用Vivado中I/O Planning功能，另一种是直接创建XDC约束文件，手动输入约束命令后再添加加工程中。这里主要介绍第二种方法。

首先点击“Add Sources”，选择“Add or create constraints”，点击“Next”，如图C.32所示。

图 C.32: 添加约束

然后添加或创建约束文件。如果采用添加已经编辑好的约束文件的方式，则如图C.33所示点击“Add Files”。

图 C.33: 添加约束文件

如果采用创建新约束文件的方式，则如图C.34所示点击“Create Files”。

图 C.34: 新建约束文件

如果采用创建新约束文件的方式，则接下来要设置新建的 XDC 文件，输入 XDC 文件名，点击“ OK”。默认文件位于工程目录下的“\led.srcs\constrs_1\new”中。参见图C.35。

图 C.35: 新建约束文件的设置

无论采用添加还是创建的方式添加好约束文件后，在如图C.36所示界面中点击“Finish”。

图 C.36: 完成添加约束

如果刚才采用的是创建新约束文件的方式，那么接下来可以如图C.37所示界面中，在“Sources”窗口的“Constraints”下双击打开新建好的 XDC 文件“led_xdc.xdc”。

图 C.37: 打开空白XDC文件

将如下所示的约束代码填入到led_xdc.xdc文件中，其中主要是FPGA管脚约束信息和电平标准。

set_property PACKAGE_PIN H8 [get_ports {led[7]}]
set_property PACKAGE_PIN G8 [get_ports {led[6]}]
set_property PACKAGE_PIN F7 [get_ports {led[5]}]
set_property PACKAGE_PIN A4 [get_ports {led[4]}]
set_property PACKAGE_PIN A5 [get_ports {led[3]}]
set_property PACKAGE_PIN A3 [get_ports {led[2]}]
set_property PACKAGE_PIN D5 [get_ports {led[1]}]
set_property PACKAGE_PIN H7 [get_ports {led[0]}]
set_property PACKAGE_PIN Y6 [get_ports {switch[7]}]
set_property PACKAGE_PIN AA7 [get_ports {switch[6]}]
set_property PACKAGE_PIN W6 [get_ports {switch[5]}]
set_property PACKAGE_PIN AB6 [get_ports {switch[4]}]
set_property PACKAGE_PIN AC23 [get_ports {switch[3]}]
set_property PACKAGE_PIN AC22 [get_ports {switch[2]}]
set_property PACKAGE_PIN AD24 [get_ports {switch[1]}]
set_property PACKAGE_PIN AC21 [get_ports {switch[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {switch[0]}]

C.5 综合实现和生成比特流文件

在“Flow Navigator”中点击“PROGRAM AND DEBUG”下的“Generate Bitstream”选项，工程会自动完成综合、布局布线、比特流文件生成的工作。如图C.38所示。完成之后，可点击“Open Implemented Design”来查看工程实现结果。

图 C.38: 生成比特流文件

如果出现图C.39所示的提示，意味着综合过期，需重新运行综合和实现。这时点击“Yes”，在弹出的“Launch Runs”窗口点击“OK”。

图 C.39: 提示重新运行综合和实现

C.6 本地FPGA烧写配置

如果选用的是本地FPGA实验平台，那么在比特流文件生成后就可以进入烧写配置FPGA的阶段了。具体操作是：在比特流文件生成完成的窗口选择“Open Hardware Manager”，点击OK，进入硬件管理界面，如图C.40所示。连接FPGA开发板的电源线和与电脑的下载线，打开FPGA电源。

图 C.40: 打开硬件程序和调试管理

在“Hardware Manager”窗口的提示信息中，点击“Open target”下拉菜单的“Open New Target”（或在“Flow Navigator” 下的“PROGRAM AND DEBUG” 中展开“Open Hardware Manager”，点击“Open Target\(\rightarrow\)Open New Target”），也可以选择“AutoConnect”来自动连接器件，如图C.41所示。

图 C.41: 打开新目标

在“Open Hardware Target”向导中，先点击“Next”，进入Server选择向导，如图C.42所示。

图 C.42: Open Hardware Target向导

选择连接到“Local server”，点击“Next”，如图C.43所示。

图 C.43: 连接 Local server

在图C.44所示的界面中选择目标硬件，点击“Next”。

图 C.44: 选择目标硬件

点击“Finish”，打开目标硬件，如图C.45所示。

图 C.45: 打开目标硬件

接下来对目标硬件编程。在“Hardware”窗口右键单击目标器件“xc7a200t_0”，选择“Program Device…”；或者在“Flow Navigator”窗口中点击“PROGRAM AND DEBUG\(\rightarrow\)Hardware Manager\(\rightarrow\)Program Device”。如图C.46所示。