Tang Nano 20K 点灯

2023-03-24

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日期	版本	作者	更新内容
2023-03-24	v0.1	wonder	新建文档

这里我们用点亮板子上的LED来作为例程来快速熟悉一下高云半导体 IDE 的使用流程

对于软件开发来说，输出 hello world 就是入门了。对于硬件相关的开发而言，点灯就是同款入门。

安装 IDE

参考安装IDE 来完成我们需要准备的软件环境。

对于 Linux 用户的话建议使用 openfpgaLoader 这软件来烧录这款设备。

新建工程

文件 -> 新建 -> FPGA Design -> Project

设置工程名称，要求只用英文的下划线命名，存放路径中不要有中文字符或者空格等特殊符号。

project_path

然后在下面的芯片型号中选择 GW2AR-LV18QN88C8/I7，使用上面的筛选能够更快地选择到正确的型号。注意 Device 那一栏为 GW2AR-18C。

device_choose

然后点击确定后就可以进行最终项目预览了。确认无误后就完成工程创建了。

编写代码

新建文件

高云半导体 IDE 提供了三种新建文件的方法。在此我们直接使用快捷键 Ctrl + N 来新建文件，其他两种不在此讲述。

在弹出的窗口中选择 Verilog File，会 VHDL 的也可以选择下面的 VHDL File，这篇文章只用 Verilog 来做点灯示例。

点击 OK 之后会提示让我们输入文件名称，此处以 led 为文件名做示范。

到这里我们就完成文件的创建了，可以直接编写代码了。

Verilog 简单说明

Verilog 是一种硬件描述语言，用来对数字电路进行抽象化描述。

Verilog 的基本设计单元是“模块”(module)。

一个模块是由两部分组成的：一部分描述接口，另一部分描述内部逻辑功能，即定义输入是如何影响输出的。

一个模块长成这样：

module module_name
#(parameter)
(port) ;
    function   
endmodule

模块整体结构由 module 和 endmodule 组成，module 后面跟着的是模块的名称(module_name)，可传递变量参数(parameter)，端口及其方向的申明(port)，紧接着就是内部逻辑功能描述(function) ,最后用 endmodule 来表示这一个模块，描述完毕。

内部逻辑功能通常由 assign 和 always 块完成；其中 assign 语句描述逻辑功能，always 块常用于描述时序功能。

阻塞赋值与非阻塞赋值

在时序逻辑描述中，赋值符号有 = 和 <= 两种。注意 <= 在 if 判断语句中为小于或等于，不是赋值符号。

详细解释查看底部的阻塞赋值与非阻塞赋值区别

代码思路

写代码前我们需要先想清楚代码目的：每隔 0.5S 灯闪一次。

对此所画的需求框图如下：

block_method

然后对于 0.5S 我们需要一个计数器来计时，LED 灯闪就是 IO 翻转

count_block

把上面的思维框图具体到实际使用的话，就变成下面的样式了:

clock_time_count

其中 Clock 为时钟源，用来给计时器提供准确的时间。

代码描述

根据上文 Verilog 简单说明和所描述的框图，可以所要编写 Verilog 模块有 Clock 和 IO电平两个端口；

module led(
    input  Clock,
    output IO_voltage
);

endmodule

对于内部的计时模块，Primer 20K 核心板上的晶振为 27MHZ，因此我们每秒钟会有 27000000 个时钟上升沿，想要 0.5S 计数的话那么只需要计数 13500000 次上升沿就好。计数是从 0 开始的，数 13500000 的话就是从 0 数到 13499999。计数完后我们需要设置一个标志位，来通知 LED 的 IO 翻转一下电平。整体计数代码如下：

//parameter Clock_frequency = 27_000_000; // 时钟频率为27Mhz
parameter count_value       = 13_499_999; // 计时 0.5S 所需要的计数次数

reg [23:0]  count_value_reg ; // 计数器
reg         count_value_flag; // IO 电平翻转标志

always @(posedge Clock) begin
    if ( count_value_reg <= count_value ) begin //没有计数到 0.5S
        count_value_reg  <= count_value_reg + 1'b1; // 继续计数
        count_value_flag <= 1'b0 ; // 不产生翻转标志
    end
    else begin //计数到 0.5S 了
        count_value_reg  <= 23'b0; // 清零计数器，为重新计数最准备
        count_value_flag <= 1'b1 ; // 产生翻转标志
    end
end

对于 LED IO 电平翻转代码如下：

reg IO_voltage_reg = 1'b0; // 声明 IO 电平状态用于达到计时时间后的翻转，并赋予一个低电平初始态

always @(posedge Clock) begin
    if ( count_value_flag )  //  电平翻转标志有效
        IO_voltage_reg <= ~IO_voltage_reg; // IO 电平翻转
    else //  电平翻转标志无效
        IO_voltage_reg <= IO_voltage_reg; // IO 电平不变
end

将上面的代码整合后就变成了下面的内容:

module led(
    input  Clock,
    output IO_voltage
);

/**********计时部分**********/
//parameter Clock_frequency = 27_000_000; // 时钟频率为27Mhz
parameter count_value       = 13_499_999; // 计时 0.5S 所需要的计数次数

reg [23:0]  count_value_reg ; // 计数器
reg         count_value_flag; // IO 电平翻转标志

always @(posedge Clock) begin
    if ( count_value_reg <= count_value ) begin //没有计数到 0.5S
        count_value_reg  <= count_value_reg + 1'b1; // 继续计数
        count_value_flag <= 1'b0 ; // 不产生翻转标志
    end
    else begin //计数到 0.5S 了
        count_value_reg  <= 23'b0; // 清零计数器，为重新计数最准备
        count_value_flag <= 1'b1 ; // 产生翻转标志
    end
end
reg IO_voltage_reg = 1'b0; // 声明 IO 电平状态用于达到计时时间后的翻转，并赋予一个低电平初始态

/**********电平翻转部分**********/
always @(posedge Clock) begin
    if ( count_value_flag )  //  电平翻转标志有效
        IO_voltage_reg <= ~IO_voltage_reg; // IO 电平翻转
    else //  电平翻转标志无效
        IO_voltage_reg <= IO_voltage_reg; // IO 电平不变
end


/**********补充一行代码**********/
assign IO_voltage = IO_voltage_reg;

endmodule

上面代码最后面补充了一行代码，是因为 IO_voltage 声明在了 port 位置，默认为 wire 型，想要将它与 reg 变量 IO_voltage_reg 连接起来，需要用到 assign 语句。

综合，约束，布局布线

综合

代码保存后，可以双击 IDE 内部的 Process -> Synthesize 来进行代码综合，将 verilog 代码内容转换为综合网表。

synthesize

关于网表有兴趣的可以自己去查阅相关资料，此处不再额外说明。

约束

综合完之后我们需要进行管脚约束，才能将所编写的模块端口与 FPGA 引脚相对应，并且实现模块的功能。

点击上图 Synthesize 上面的 FloorPlanner 来进行管脚约束。

floorplanner

由于是首次创建，所以会弹出下面的对话框，点击 OK 后就弹出了图形化约束交互界面。

create_constrain_file

nano_20k_floorplanner_interface

关于约束的方法可以查看 SUG935-1.3_Gowin设计物理约束用户指南.pdf

此处因个人喜所以仅使用下图中 IO Constranins 方法来约束引脚：

floor_planner_ioconstrain

根据核心板原理图，我们可以知道晶振所输入的引脚为 PIN04。

结合原理图上 LED 所连接的引脚，这里只对 LED0 进行操作

nano_20k_led_port

因此对于在 FloorPlanner 交互窗口下面的 IO Constranins 中将 PORT（端口）与 Location（引脚）分别填入下面的值：

nano_20k_io_constrain_value

输入完毕后快捷键 Ctrl + S 来保存一下引脚约束，然后接可以关闭 FloorPlanner 的交互图形界面了。

接着发现在工程项目里面多出来刚刚创建的 cst 文件了，里面的内容也比较好理解。

nano_20k_cst_content

布局布线

完成约束后就要开始运行布局布线了，目的是为了把综合所生成的网表与我们自己定义的约束来通过 IDE 算出最优解然后将资源合理地分配在 FPGA 芯片上。

双击下图红框处的 Place&Route 就开始运行了。

nano_20k_place_route 。

紧接着没有报错，全部通过。就可以开始进行烧录了。

烧录固件

Tang Nano 20K 板卡上搭载了 BL616 芯片，用来烧录 FPGA 固件到板卡中。

在安装IDE 的时候已经安装了驱动。因此我们将板子与电脑连接起来就行。

nano_20k_led_connect_debug

扫描设备

双击下图中的下载程序(Program Device) 来运行 Programmer 软件

open_programmer

然后在打开的页面中点击一下 scan_device 来扫描到我们的设备。

nano_20k_scan_device

点击 OK 后就可以接下来对 FPGA 进行操作了。

烧录相关的文档可以参考 SUG502-1.3_Gowin_Programmer用户指南.pdf

下载到 SRAM

一般来说这个模式是以用来快速验证所生成的固件是否满足自己目的的。

因为其烧录快的特性所以使用的较多，然是当然断电会丢失数据，所以如果想上电运行程序的话是不能选这个的。

点击 Operation 下面的功能框来打开设备设置界面，接着在 Operation 框中选择 SRAM Program 选项来设置为下载到 SRAM ，最后点击下面的那三个点点框来选择我们所生成的 .fs 下载固件。通常来说下载固件生成与工程文件目录下的 impl -> pnr 目录下。

sram_mode

接着来点击红框处开始进行烧录

nano_20k_sram_download

有问题的话可以前往常见问题自行排查。

到这里就下载完成了。

下载到 Flash

上面说过下载到 SRAM 是为了快速验证，但是不能上电运行程序。
所以想要上电运行的话我们需要设置下载到 Flash。

和上面下载到 SRAM 的步骤几乎类似，先点开 Operation 下面的功能框来打开设备设置界面，接着在 Operation 框中选择 External Flash Mode 选项来设置为下载到外部 Flash ，最后点击下面的那三个点点框来选择我们所生成的 .fs 下载固件，通常来说下载固件生成与工程文件目录下的 impl -> pnr 目录下。最后在下面的外部 Flash 选项中选择设备为 Generic Flash 。

nano_20k_flash_mode

接着来点击红框处开始进行烧录

nano_20k_flash_download

然后我们的程序重新上电也能照样运行了。

代码结果

如图所示，只有一个灯在闪。

nano_20k_led_blink

结语

到这里我们就已经完成了 FPGA 的 “Hello world” 了。以后的示例工程不会再叙述新建文件等操作了。

阻塞赋值与非阻塞赋值区别

以下内容搬运自 大猪蹄子 （有改动）：

编写一段简单的代码，对它进行简单的仿真：

module test(
    input      CLK,
    input      [3:0] A,
    output reg [3:0] B,C,D,E
);

always@(posedge CLK)
begin
    B <= A;
    C <= B;

    D  = A;
    E  = D;
end
endmodule

simulation_result

根据仿真结果我们可以看出阻塞和非阻塞赋值的差别。这里对比 B C D E 四种结果。<= 叫做非阻塞赋值，同一个 always 中的 <= 会同时执行。这就造成了绿框内的情况：B 直接被赋予 A 的值同时 C 被赋予 B 的值。由于这两步是同时进行的，就导致 C 被赋予的值是 B 的旧值，也就造成了图中所示，C 的数据变化时钟要慢 B 一个时钟周期。再说阻塞赋值 =，也就是说同一个 always 中上一个 = 语句执行完才会执行下一个 = 语句。在这个代码中，上一个语句 D 已经被赋予了 A 的值，才执行把 D 的值赋给 E，所以 D 、E 的值在仿真中始终保持一致。

不过一般来说，不建议在时序逻辑中使用阻塞赋值 =。

也得出了额外两个结论：

第一，输入的数据不是完全有效，以时钟边沿时刻的输入数据为准。posedge 就是以上升沿执行，negedge 就是以下降沿执行。如果数据维持的时间小于一个时钟周期，就很有可能采集不到（如红框所示）。
第二、每次触发特定时钟边沿，对应的 always 块就会从头到尾执行一次代码（如绿框所示），而不是从中间某处执行。

常见问题

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