原创 FPGA学习手记（二） 简单功能仿真及Verilog基础电路设计

FPGA学习手记（二） 简单功能仿真及Verilog基础电路设计

看了某兄的一篇文章，讲到学FPGA切不可急功近利，大概是受到STM32的C语言库快速入门的影响，在学习FPGA时，给自己制定了学习方针如是：掌握FPGA开发的一般流程 → 学习基本外设的设计方法 → NIOS II硬件系统的搭建→设计并DIY简单的项目 → ……

回首而顾，这不正是急功近利的典型例子？在经历了漫长的综合编译并成功在开发板上搭建NIOS II以后，发现自己并没有学会什么，自己不过是在将FPGA一步步转化成MCU来用。为了防止这弯路越走越深，开始学习基础的电路设计知识和Verilog用法，同时翻出了尘封已久的数电书（阿杜一定恨死朱红了，哈哈）。之后准备再了解一下Quartus下的仿真，以及Modelsim，如果没有用好仿真工具，也是会平添许多麻烦的。

把共性的东西用好以后再解决特性的问题，当然不能离开实际，在学的过程中动手操作。在余秋雨先生看来，读万卷书、行往里路就是要拿自己的理性与考察看待只是和脚下的路的关系，看时间与空间的关系，再反观书中谢谢是对的，那些没有写好。我很佩服这样的观点，现在做工程与搞理论的，如果埋头行路或是塞听读书，大概都是没有前途的吧。呵呵，又扯远了……

在学习电路之前，有必要先补充一些东西，即Quartus II的集成的一些非常实用的功能。

一、Netlist Viewers

还是以上一次的HelloFPGA为例，Quartus II除了提供HDL语言的开发环境，还提供了Netlist Viewers工具便于通过可视化界面直观的理解HDL语言在各层的表现形式（如寄存器传送级）。

Netlist Viewer工具包括RTL Viewer、Technology Map Viewer和State Machine Viewer三种，其位置在Task栏中，可分别通过双击相应的图标获取该视图。也可在工具栏的Tools→Netlist Viewers中找到。

其中RTL Viewer可生成寄存器传送级电路，双击RTL Viewer，可看到RTL视图如下：

由于这个模块的逻辑结构十分简单，只是将按键信号取反控制LED，基本不需要可视化图形的帮助就能理解，但是一些复杂的工程就需要这些工具的辅助。通过左侧的Hierarchy栏，可以将了解每一层的组成。

RTL只相当于一种中间形式的描述结构，而Technology Map Viewer描述了代码综合后的实际电路结构，由于本例的结构十分简单，所以和实际电路形式与RTL视图相同。下面是一个四路选择器的Technology Map视图，内部结构已经展开：

我们可以看到，组合逻辑电路都是靠逻辑门的组合实现的，而这就是PLD器件的基本原理：所有组合逻辑都可以靠逻辑门电路加以实现，而所有时序电路可以靠触发器和逻辑门电路实现。

State Machine Viewer用于状态机，以后用到了再说。了解Verilog代码对应的RTL和硬件结构对于FPGA使用者来说十分重要，毕竟FPGA不仅仅是在使用语言和编写代码，而是在设计实际的硬件。

二、简单功能仿真

仿真的作用不消我说，这里说一下不用TestBench的简单功能仿真。通过点击  新建一个波形文件，保存为HelloFPGA.vwf。

在左侧的空白处点击右键，选择Insert Node or Bus，插入要仿真的信号。

这里可以直接输入信号名称，我们选择Node Finder，使用查找工具。

Filter可以设置查找过滤，点击List显示可用的信号节点，通过下面的箭头选择要仿真的信号节点。

一路OK后，选中输入信号Key，这时候可以在右侧Key的时间轴中拖动选中一段时间，通过左侧工具栏进行置0、置1等操作。这里选择  将Key设置成时钟信号。

这里将信号终止时间设置为1us，将时钟周期设置为100ns。

Key信号就被设置成了一个周期100ns的时钟信号。

确认一下没有选择第三方的仿真工具，如下图。点  对工程进行编译，再点  进行仿真。

仿真结果如下，可以看到，LED信号对于Key信号会有延时存在延时。

通过Zoom选项放大缩小视图，在空白处右键选择Insert Time Bar插入时间条，将两个时间条拖到相应位置，可以看到延时为10ns左右。当然了，这个仿真工具只能在功能上验证波形的正确与否，更加复杂的仿真需要通过第三方工具来进行。

另外，仿真工具栏常用的功能如下，可以自己琢磨一下：

三、基础电路设计

这里所说的基础电路，是数电中的基本组合逻辑及时序电路。这次先开个头，说多了太勤快显得我名不副实……

1.全加器

这是一个全加器模块，a_in、b_in为加数，c_in为输入进位，sum为加和， c_out为输出进位。根据全加器的真值表，以及K图等方式，化简后可以得到逻辑关系（化简结果不唯一）：

SUM=A⊕B⊕Cin

Cout=AB+BC+CA

数电忘光光的童鞋可以回去翻书了，呵呵，懒兔不再赘述。其真值表如下：

module FULLADD(a_in, b_in, c_in, sum, c_out);

input a_in,b_in,c_in;

output sum,c_out;

assign sum = a_in ^ b_in ^ c_in;

assign c_out = (a_in & b_in) | (b_in & c_in) | (a_in & c_in);

endmodule

可以看到，其RTL视图是通过与上述逻辑关系式相同的逻辑来表述代码的，但是这样的描述非常不直观，而且需要先行计算逻辑关系表达式。

我觉得，其实采用下面的方式，将逻辑关系式替换成三个1位二进制数直接相加，产生的进位和加和通过{ }符号连接起来，高位在前。

assign sum = a_in ^ b_in ^ c_in;

assign c_out = (a_in & b_in) | (b_in & c_in) | (a_in & c_in);

assign {c_out,sum}=a_in+b_in+c_in;

这样得到的RTL结果如下，代码被描述成两个加法器，然而经过综合编译后，其硬件组成和上面的表达方法是完全相同的，也就是说Quartus II自动进行了转换和化简。

下面是一个N位全加器的代码，其中N通过WIDTH定义，这里定义为8位。采用parameter和define的方式，可以增加代码的可读性和复用性，这和C是一样的。

module FULLADD(a_in, b_in, c_in, sum, c_out);

parameter WIDTH = 8;

input[WIDTH-1:0] a_in,b_in;

input c_in;

output[WIDTH-1:0] sum;

output c_out;

assign {c_out,sum}=a_in+b_in+c_in;

endmodule

RTL视图，只是数据线宽改变了：

仿真结果，结果正确性没的说，只是输出数据之间存在毛刺一样的波形，放大后发现是不正确的数据，一般我们认为这是竞争冒险导致的，然而jlx_cuc君则不这么认为，本着做学问的态度，有兴趣的朋友可以看看，传送门：由简单的加法器揭秘FPGA底层实现。

嗯嗯，先到这里吧，今天起的太早了,啊呜~~~