FPGA设计妙招揭秘：使用Makerchip进行在线虚拟开发的高效方法

1 关于虚拟FPGA实验室

可编程门阵列（FPGA）是一种用户可以编程的硬件电路，用于执行逻辑操作。与特定应用集成电路（ASIC）或处理器相比，FPGA具有多个优点。FPGA具备高能效、灵活的重编程性、支持并行处理以及较低的延迟，因此在许多应用中被广泛使用。

然而，FPGA的灵活性需要面对电路重编程的挑战，对于初学者而言，这会增加学习成本和难度。

为了解决这个问题，虚拟FPGA实验室项目应运而生。该项目利用Makerchip平台中的VIZ可视化功能，提供FPGA基本外设的可视化，以模拟物理实验室的体验。

Makerchip是一款免费的基于Web的集成开发环境（IDE），同时也提供makerchip-app，一款用于开发高质量集成电路的虚拟桌面应用程序。您可以在浏览器中编写、编译、模拟和调试Verilog设计。代码、模块图和波形紧密集成在一起。Makerchip支持新兴的事务级Verilog（ Transaction-Level Verilog）标准。事务级Verilog（TL-Verilog）是一个重大的进步，它消除了Verilog的传统语言特性，并引入了更简单的语法。与此同时，TL-Verilog为流水线和事务添加了强大的构造。

2 选择TL-Verilog的理由

简单 || 强大 || 灵活

2.1 可视化调试

使用TL-Verilog语言编写的设计进行调试时，可以通过可视化方式来观察和分析设计的行为。通过在设计中插入调试语句，并以可视化形式显示设计行为，帮助设计人员进行调试、验证和优化的过程。

2.2 有序波形

无需编写测试台即可查看模拟结果。IDE提供了内置的时钟，并在信号未被赋予任何值时为其分配随机值。

2.3 有序图表

设计以逻辑图形式表示。非常容易浏览设计层次结构、流水线和阶段。

2.4 更少的代码

更快的开发
更少的错误
更容易维护

3 可视调试的威力

首先将简单数字逻辑门的输出可视化。从上面的GIF中可以看到左侧是代码部分，可以看到门的逻辑；右侧是可视调试（VIZ）部分，可以看到每个逻辑门的可视化。我们可以在周期之间来回移动，并在右上角看到当前的周期。

可视调试是如何构建的？可视调试是一个JavaScript画布，在其中使用了fabric.js，这是一个功能强大且简单的JavaScript HTML5画布库框架，它使我们能够在画布元素上使用交互式对象模型。

4 虚拟FPGA实验室的特点

简单学习：在没有实际开发板的情况下理解FPGA编程的基础知识。
时光旅行：可以在周期之间前后移动，以便能够可视化每个周期中发生的情况。
更快速：对于简单的设计，无需等待综合、实现和比特流生成过程。
抽象化：TL-V所需的代码比标准HDL语言少，开发更快，错误更少，维护更容易，且硅片质量更好。它也- 支持System Verilog。
可综合化：在虚拟实验室中的代码可以在真实的FPGA上运行！我们将在最后一节中介绍这一点。
开源：采用MIT许可。

5 在Makerchip中展示的FPGA开发板

Zedboard Zynq-7000 ARM/FPGA SoC开发板（产品链接）
EDGE Artix 7 FPGA开发板（产品链接）
Basys 3 Artix-7 FPGA培训板（产品链接）
Icebreaker FPGA（产品链接）
Nexys A7（产品链接）

目前，仅展示这些开发板。

6 第一阶段

在第一阶段评估之前的编码工作主要是在VIZ画布屏幕上添加FPGA图像，并支持可视化FPGA的LED灯、七段数码管、LCD 16x2显示器和VGA显示器。下面是使用这些组件的示例演示：

7 LED灯

演示：https://makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0y8h64Z#

上面的GIF演示了一个16位计数器的示例，其输出显示在LED灯上。在这里使用了Zedboard开发板。初始化可以在第26、27和28行中看到。m4+fpga_init将初始化开发板，m4+fpga_led将使LED灯工作。如果要使用其他开发板，请在第26行更改M4_BOARD的值。

8 七段数码管

演示：makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0zmh8rV

这个演示是一个从0到15的计数器，以十六进制值显示在七段数码管的四个数字中。* digit是共阳信号。每个七段数码管包含段，基本上是可以通过发送低电平信号来打开的LED。要在七段数码管中显示数字8，需要通过低电平信号启用所有段。

9 LCD 16x2显示器

演示：makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0k5hYwz#

这个程序在LCD 16x2显示器中打印以下内容：

第一行：FPGAs are fun!!!

第二行：—

完成后，将第一行和第二行向左移动一次。

10 VGA显示器

演示：makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0nZhlW1

这是用于640* 480 VGA显示器的可视化。信号和sy分别表示显示光标的水平和垂直位置。当水平和垂直像素区域（和sy）小于64时，程序会绘制一个橙色的正方形，否则为蓝色。在480p分辨率下，需要约40万个周期来显示一个完整的帧，包括所有前后廊道的时间约束。为了进行可视化，我们将每个正方形框设置为32x32像素，因此可以在约470个周期内完成一帧，以便更好地理解。无论如何，可以使用M4_COUNTER宏变量定义来调整正方形框的大小。还可以使用M4_FRAMES宏变量的定义来更改要可视化的帧数。

11 第二阶段

对于第二阶段，开始可视化其他外设，如按钮、滑动开关、LED RGB、温度传感器、光传感器等。以下是使用这些可视化的演示。

12 按钮

演示：makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0pghQw2

当按下特定的按钮时，此程序会点亮LED灯。按钮应从开发板上输入。不幸的是，Makerchip VIZ目前不支持交互功能。因此，为了使用这个外设，使用$pb信号手动给按钮输入。

13 滑动开关

演示：makerchip.com/sandbox/05yf0h91P/066hVzy

逻辑与上述按钮示例相同。

14 温度传感器

演示：makerchip.com/sandbox/0mZf5hLPG/0mwh1MY

温度和光传感器位于开发板的左下角。这里我们使用太阳图像作为热源。随着太阳图像远离温度传感器，相应的温度读数将显示在七段数码管中。用于显示传感器读数的时间为四个时钟周期。这是因为七段数码管的阴极是连接在一起的。因此，为了显示四个不同的数字，我们每个时钟周期只启用一个数字。由于一个周期的变化通常发生在几十纳秒的量级上，当在实际的FPGA中运行时，我们的肉眼会假装所有数字在同一时间更新。