原创 【技术笔记】高云FPGA学习笔记3——FPGA点灯工程创建、下载和固化

本文是高云FPGA学习笔记系列的第3篇文章，首发于面包板社区：

• 【技术笔记】高云FPGA学习笔记1——TangNano 4K开发板简介

• 【技术笔记】高云FPGA学习笔记2——FPGA和ARM开发环境搭建

介绍完高云FPGA开发板，高云FPGA开发环境搭建之后，接下来才是真正的高云FPGA实战开发，如果你有国外FPGA芯片的使用经验，那么对于高云FPGA的使用，也可以很快的上手。

本文介绍基于高云FPGA开发环境——云源软件的使用，介绍如何创建FPGA点灯工程、管脚分配、时钟约束、综合、布局布线、比特流文件生成、下载和固化。

1. 工程目录创建

为了规范的进行开发，建议按照如下文件结构对FPGA工程进行管理，先创建一个文件夹：gw1nsr_4c_fpga_demo，在这个文件夹下再创建以下文件夹：

• rtl：用于存放Verilog设计文件
• tb：用于存放仿真文件
• modelsim：由于云源软件不支持仿真，需要借助第三方仿真工具进行仿真，此文件夹用于存放modelsim工程文件
• mcu：用于存放MCU工程
• sct：用于存放约束文件，如管脚约束，时钟约束等

2. 新建工程

打开高云云源软件教育版，点击新建工程，或者直接按下Ctrl+N快捷键，打开工程创建向导。

输入工程名称：project，保存路径选择之前创建的gw1nsr_4c_fpga_demo，创建工程的同时，会创建一个和工程名称相同的project文件夹。

以后就可以直接打开project目录下的gprj后缀的工程文件。

选择芯片型号：GW1NSR-4C

在工程上右键，选择New File，新建设计文件，在弹出的窗口，输入模块名top_hdl，文件类型根据需要选择，保存路径为之前创建的rtl文件夹。

勾选添加到当前工程

3. 设计输入

在云源软件编辑器中输入功能描述，本文以LED点灯为例，结合按键来控制闪烁频率。

实现的功能为：

• 对外部27MHz时钟信号进行计数，控制LED周期性闪烁。
• TangNano 4K板载的两路按键，一路作为复位，一路作为用户按键。
• 用户按键未按下时，LED每500ms翻转一次状态。
• 用户按键被按下后，LED每100ms翻转一次状态。

Verilog源文件

/***************************************************************
 * Copyright(C), 2010-2022, WeChat:MCU149
 * ModuleName : top_hdl.v 
 * Date       : 2022年9月27日
 * Time       : 20:19:39
 * Author     : WeChat:MCU149
 * Function   : gw1nsr-4c led driver demo
 * Version    : v1.0
 *      Version | Modify
 *      ----------------------------------
 *       v1.0    first version
 ***************************************************************/

module top_hdl(
    //Inputs
    input gclk,      // 27MHz
    input gresetn,    
    input key,

    //Outputs
    output reg led
);

//1.parameter

//2.localparam
localparam KEY_PRESS   = 1'b0; 
localparam KEY_RELEASE = !KEY_PRESS;
localparam LED_ON      = 1'b1;
localparam LED_OFF     = !LED_ON;

localparam LED_PERIOD1 = 27_000_000 / 2 ;      //500ms=27_000_000/2
localparam LED_PERIOD2 = 27_000_000 / 10;      //100ms=27_000_000/10
//localparam LED_PERIOD1 = 100;      //simulation
//localparam LED_PERIOD2 = 200;      //simulation

//3.reg
reg [31:0] cnt;

//4.wire 
wire [31:0] CNT_MAX = (key == KEY_PRESS) ? LED_PERIOD2 : LED_PERIOD1;

//5.assign

//6.always
always @ (posedge gclk) begin
    if(!gresetn) begin
        cnt <= 'd0;
    end
    else begin
        if(cnt >= CNT_MAX)
            cnt <= 'd0;
        else 
            cnt <= cnt + 'd1;
    end
end

always @ (posedge gclk) begin
    if(!gresetn) 
        led <= LED_OFF;
    else if(cnt == CNT_MAX)
        led <= !led;
        // led <= (led == LED_OFF) ? LED_ON : LED_OFF;
end

//7.instance

endmodule   //top_hdl end

Testbench仿真文件：

`timescale 1ns/1ps

module top_hdl_tb;

localparam PERIOD = 10;      //ns

reg clk;
reg rst_n;
reg key;

always #(PERIOD/2) clk <= !clk;

initial begin
    $display("testbench: %s", top_hdl_tb);

    rst_n = 0;
    clk = 0;
    key = 0;

    #(PERIOD*100)
    rst_n = 1;
    #(PERIOD*1000)
    key = 1;
    #(PERIOD*1000)
    key = 0;
    #(PERIOD*1000)
    $stop(0);
end

top_hdl top_hdl_ut0(
    //Inputs
    .gclk(clk),      // 27MHz
    .gresetn(rst_n),    
    .key(key),

    //Outputs
    .led()
);

endmodule   //top_hdl_tb end

源文件截图：

激励文件截图：

4. 设计仿真

由于云源软件暂时不支持仿真功能，我们还需要借助第三方工具来完成功能仿真，这里我选择的是Modelsim，仿真的波形如下：

和我们的预期设计是一致的，为了缩短仿真时间，我把LED闪烁周期值减小了。

localparam LED_PERIOD1 = 27_000_000 / 2 ;      //500ms=27_000_000/2
localparam LED_PERIOD2 = 27_000_000 / 10;      //100ms=27_000_000/10
//localparam LED_PERIOD1 = 100;      //simulation
//localparam LED_PERIOD2 = 200;      //simulation
5. 综合

在进行管脚分配前，需要先进行综合，综合工具为高云自研GowinSynthesis工具，如果有多个设计文件，还需要指定顶层模块的名称，在综合选项右键点击Configuration

指定工程的顶层模块名称为：top_hdl

6. 管脚分配

新建物理（管脚）约束文件，命名为top_sct，并保存到sct文件夹下。

输入管脚约束文件名。

点击Floor Planner，打开图形化管脚分配工具。

分配管脚，和开发板上的管脚保持一致

或者直接输入约束语句：

IO_LOC "led" 10;
IO_PORT "led" PULL_MODE=NONE DRIVE=8;
IO_LOC "key" 15;
IO_PORT "key" PULL_MODE=UP;
IO_LOC "gresetn" 14;
IO_PORT "gresetn" PULL_MODE=UP;
IO_LOC "gclk" 45;
IO_PORT "gclk" PULL_MODE=UP;
7. 时钟约束

时序约束不是必须要做，可以省略。

新建时序约束文件，命名为top_sdc，也保存到sct文件夹中。

点击时序约束Timing Constraints Editor，打开时钟约束工具。

这里只对外部时钟进行约束，右键点击Ports->gclk，Add Clock，输入时钟频率为27MHz。

或者直接输入以下语句：

create_clock -name gclk -period 37.037 -waveform {0 18.518} [get_ports {gclk}]
8. 比特流文件生成

点击Place and Route，生成比特流文件，速度很快，几秒钟，比国外的EDA环境快很多！

查看时序报告，可以看到满足设计要求，最大频率可以到128MHz。

查看逻辑资源占用情况

9. 程序下载

点击Program Device，打开编程工具，执行编程。

配置为SRAM模式，选择project/impl/pnr下的fs格式的比特流文件。这个模式是下载到内部RAM中，掉电程序会丢失。

右键执行编程，下载速度很快。

10. 程序固化

选择Embedded Flash Mode会把程序固化到内部Flash中，掉电程序不丢失，上电程序瞬时启动，同样是选择fs文件。

fs程序文件的保存路径

fs文件的内容格式

11. 总结

相比于国外FPGA厂商EDA开发环境，几个G到几十个G的大小，高云云源软件安装包也很小巧，界面也很简洁，综合速度非常快，是我没想到的，好像在使用单片机一样，点一下就编译完成了，以本文简单的LED示例工程为例，比特流文件几乎在几秒钟内生成；无论是下载比特流文件到RAM还是Flash中，速度都很快，而且只有一种fs程序文件格式，不用再进行bit/mcs转换；云源软件自带的编辑器也很好用，和Notepad++界面差不多，而且快捷键很方便，具有基本的自动补全功能。

12. 工程下载

以下链接是本次笔记中建立的高云FPGA工程，开发环境是Gowin V1.9.8.07 Education

• https://wcc-blog.oss-accelerate.aliyuncs.com/img/220928/gw1nsr_4c_fpga_demo.rar