基于Xilinx ISE平台的FPGA电路设计

于东阳，苏 彬

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032)

1 引言

如今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断进步，传统的可编程逻辑器件正在向大容量、高性能、低成本的方向发展。因此出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。美国Xilinx公司是全球最大的可编程逻辑器件厂商，首创了现场可编程逻辑阵列这一技术，其产品在国内各个行业得到了广泛应用，同时该公司的ISE开发软件为用户提供了一个易于操作的软件开发平台，可以很方便地开发出基于该公司的CPLD/FPGA产品的数字电路。

2 VHDL语言简介

VHDL是一种硬件描述语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。

3 ISE简介及FPGA设计流程

Foundation Series ISE(简称ISE)是由著名的可编程器件开发厂商Xilinx公司提供的集成化开发平台。ISE可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT流文件、配置以及在线调试等，功能非常强大，并且具有界面良好、操作简单的特点，再加上Xilinx的FPGA芯片占有很大的市场，使得ISE成为了非常通用的FPGA工具软件。

如图1所示。在ISE集成开发环境中，一个完整的FPGA设计流程包括工作环境设置、工程建立、电路设计(VHDL代码编写)、功能仿真、综合优化、综合后仿真、翻译、映射、布局、时序仿真、下载调试等主要步骤。

首先要进行整个工作环境的设置，通过环境设置可以使整个设计过程更加适应自己的习惯，提高工作效率。然后要建立一个工程项目，把整个设计放到工程里统一管理。电路的设计输入是工程设计的第一步，常用硬件描述语言(HDL)，将电路需要实现的功能及输入输出接口等用VHDL编写出来。功能仿真是数字系统设计中不可缺少的一个环节，通过仿真可以对整个设计的功能和时序进行验证。电路设计完成后，可以用ISE中的Test Bench Waveform工具为当前升级添加测试激励，然后在ISE中启动ModelSim仿真软件对设计进行功能仿真。当功能仿真没有问题后，下一步就是要进行综合优化。综合优化将HDL或原理图设计输入翻译成由与、或、非门、RAM、寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接，即网表，并根据约束文件优化所生成的网表。当综合完成后，需要检验和原设计是否一致，要做综合后仿真。综合后仿真的结果会产生相应的逻辑网表，FPGA根据逻辑网表的内容进行翻译、映射、布局来实现整个设计的逻辑功能。布局布线后是时序仿真，这种仿真将布局布线的时延文件反标到设计中，使仿真既包含门延时，又包含线延时信息，从而更加全面、准确的反映芯片的实际工作情况。最后就需要把生成的配置文件写入芯片中进行测试。

4 设计实例

下面以Xilinx公司Spartan IIE系列的FPGA芯片为例来实现一个简单的电路设计，基本功能是实现一个3-8译码器。

图1 FPGA设计流程图

(1)新建选择的芯片

在ISE的工具栏里选择新建工程，新建一个项目，通过选择项目芯片的属性来建立一个工程，如图2所示。

图2 新建项目属性窗口

(2)编写VHDL代码

在项目中新建一个设计输入源文件，输入如下源程序:

(3)功能仿真

用ModelSim进行仿真，观察仿真时序波形与设计是否一致，如图3所示。

图3 ModelSim仿真图形

(4)综合优化

执行综合优化功能后，如正常则显示为绿色，可进行下步操作。

(5)实现

将FPGA进行管脚约束，并通过翻译、映射和布局布线后，最终生成FPGA配置所需要的BIT流文件，并通过测试工具IMPACT加载到FPGA芯片中运行，如图4所示。

图4 IMPACT进行加载窗口

(6)检验

通过观察编译完成后的器件，来检验是否与设计一致，如有错误，则返回第一步重新按流程设计。

5 结束语

FPGA被广泛地应用在目前的数字电路系统设计中，掌握FPGA的开发方法是当前电子工程师必须的一项基本技能。本文通过实例，详细介绍了在ISE集成开发环境下，用FPGA进行数字电路设计的具体过程和方法。案例表明ISE有着强大的功能和丰富的工具集，通过它可以完成整个FPGA的开发过程，而且ISE的界面简洁，易学易用，有可视化编程技术，还具有强大的辅助设计功能，可以大大减少设计者的工作量，提高设计的效率和质量。

［1］ 王金明，杨吉斌.数字系统设计与Verilog HDL［M］.北京:电子工业出版社，2002

［2］ 田耕，徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］ 薛小刚，葛毅.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD设计指南［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［4］ 王诚，薛小刚，钟信潮.FPGA/CPLD设计工具——Xilinx ISE使用详解［M］.北京:人民邮电出版社，2005.