ISE应用基础实验.docx

实验课程名称：FPGA原理及应用
实验项目名称
ISE应用基础实验
实验成绩

实 验 者
潘冬冬
专业班级
信息SY1301
组 别

同 组 者

实验日期
2015.11.12
ISE应用基础实验实验
1.1实验目的
一．ISE9.1 使用流程实验
（1）熟悉 ISE9.1 开发环境，掌握工程的生成方法；
（2）熟悉 SEED-XDTK XUPV2Pro 实验与仿真设计的环境；
（3）了解 PicoBlaze 8-bit 嵌入式微控制器特点。
二．Architecture Wizard 与 PACE 实验
（1）熟悉并使用Architecture Wizard；
（2）掌握如何例化DCM模块单元；
（3）熟悉并使用PACE。
三．综合技术实验
（1）学习使用保留层次和扇出综合这些选择来提高调试和综合结果；
（ 2）学习读取 XST 软件的综合报告来确认综合结果质量。
1.2实验内容
一．ISE9.1 使用流程实验
（1）创建工程；
（2）添加 HDL 资源文件；
（3）配置一个应用程序完成设计；
（4）设计的仿真及实现。
二．Architecture Wizard 与 PACE 实验
（1）使用Architecture Wizard生成DCM模块单元；
（2）将例化DCM模块单元添加到工程；
（3）使用PACE进行引脚位置锁定。
三．综合技术实验
（1）修改 XST 综合选项；
（2）分析综合报告。

1.3实验准备

（1）将光盘下03. Examples of Program 实验程序目录下的01. ISE9.1 文件夹拷贝到E：盘根目录下；
（2）将 USB 下载电缆与计算机及 XUPV2Pro 板的 J8 连接好；
（3）将 RS232 串口线一端与计算机连接好，另一端与板卡的 J11 相连接；
（4）启动计算机后，将 XUPV2Pro 板的电源开关 SW11 打开到 ON 上。观察 XUPV2Pro 板上的＋2.5V，＋3.3V，＋1.5V 的电源指示灯是否均亮，若有不亮的，请断开电源，检查电源。

1.4实验步骤
一．ISE9.1 使用流程实验
（1） 创建工程
1）双击桌面 Xilinx ISE9.1 快捷方式打开 ISE 工程管理器（Project Navigator）。
2） 打开 Project Navigator 后，选择 File → New Project ，弹出新建工程对话框；

3）在工程路径中单击“…”按钮，将工程指定到如下目录，单击确定。
Verilog 使用者：E: \01. ISE9.1\xupv2pro \labs\ verilog\lab1
VHDL 使用者：E: \01. ISE9.1\xupv2pro \labs\vhdl\lab1
4）在工程名称中输入 Flow_lab，点击 Next 按钮，弹出器件特性对话框。器件族类型（Device Family）选择“Virtex2P”，器件型号（Device）选“XC2VP30 ff896 -7”，综合工具（Synthesis Tool）选“XST (VHDL/Verilog)”，仿真器（Simulator）选“ISE Simulator”，如图所示。
5）单击 Next 按钮，弹出创建新资源（Create New Soure）对话框，可以使用这个对话框来创建新的 HDL 资源文件，或者也可以创建工程后，新建 HDL 资源文件；

6）单击 Next 按钮，弹出添加存在资源对话框；
（2） 添加 HDL 资源文件
1） 点击 Add Source 按钮，指向 E:\01. ISE9.1\KCPSM3\VHDL（Verilog）活页夹下，选择 kcpsm3_int_test 和 kcpsm3 文件，单击 Open 按钮；
单击 Next 按钮，弹出工程信息后单击 Finish 按钮；

2） 单击 OK 按钮
（3） 配置一个应用程序完成设计
1）打开 E:\01. ISE9.1\KCPSM3 目录下的 Assembler 文件夹。
2） 用文件编辑器打开 int_test.psm 文件，浏览一下代码，此档就是设计者编写和输入的源文件；
3） 在开始菜单中的所有程序的附件，点击命令提示符，使用 cd 命令指向汇编编译器的目录下，输入> kcpsm3 int_test.psm 命令；

4）执行完命令后，会看到在 Assembler 下生成了一些文件，其中包括 VHDL (int_test.vhd) 和 Verilog (int_test.v)，这就是汇编编译系统把编写的汇编源文件 int_test.psm 自动生成用于程序内存的 VHDL/Verilog 格式文件，以用于综合和仿真。
5）在 ISE Project Navigator，点击 Project －－ Add Copy of Source，指向 E:\01. ISE9.1\KCPSM3\Assembler 目录下的 int_test.vhd 或者 int_test.v 文件；

点击 OK 后，则将 int_test.vhd 或者 int_test.v 文件添加到工程里，解决了出现红色问号的问题；

（4）设计的仿真
1）如前所述，在 ISE Project Navigator点击 Project －－ Add Copy of Source，指向E:\01. ISE9.1\KCPSM3\vhdl (或者 verilog)目录，选择 test_bench.vhd (或者 testbench.v)文件，点击打开；
2） 选择 Simulation Only，点击 OK，则将测试范本（Testbench）test_bench.vhd/.v文件添加到工程里；
3）单击 Sourcese 窗口中的 testbench，则在 Processes 窗口中显示 Xilinx ISE Simulator 工具栏，扩展开后，右键单击 Simulator Behavioral Model，选择Properties，对 Simulation Run Time 输入 10000ns，单击 OK 按钮；
4）双击 Processes 窗口中的 Simulate Behavioral Model 对设计进行仿真，在右方窗口弹出仿真结果的波形；
（5） 设计的实现
1）在工程的 Sources 窗口，Sources for 选择 Synthesis/Implementation，并单击工程的顶层文件 kcpsm3_int_test.vhd/v；
2） 在工程的资源操作窗（Processes），双击 Implement Design；

3）当实现设计（Implement Design）运行的过程中，展开实现（Implement Design）的步骤，会看到实现过程中，首先是进行综合（Synthesis），然后才依次完成实现的步骤。当完成相关操作后，在每个操作步骤前会显示一个小图标，表示该步骤的完成情况。对于本设计，在一些操作步骤前显示的是叹号，这些警告是可以忽略的。上图的示意如下：
² 对号表示该操作步骤成功完成；
² 叹号表示该操作步骤虽完成但有警告信息；
² 叉号表示该操作步骤因错误而未完成。
4）当完成这些操作步骤后，生成相应的操作报告供查看。实现操作完成后，再看 design utilization 的 Design Summary 窗口；

二．Architecture Wizard 与 PACE 实验
（1）使用 Architecture Wizard 生成 DCM 模块单元
1）选择 Start → Programs → Xilinx ISE 9.1i → Project Navigator，进入 ISE 的 Project Navigator 环境；
2）选择 File → Open Project，并指向如下目录，选择 arwz_pace.ise 打开工程；
Verilog 使用者: E: \01. ISE9.1\xupv2pro \labs\ verilog\lab 2\arwz_pace
VHDL 使用者: E: \01. ISE9.1\xupv2pro \labs\ vhdl\lab 2\arwz_pace
3）双击 Processes 窗口中的 Creat New Source，弹出新资源向导窗口，选择 IP (CoreGen & Architecture Wizard)，输入 my_dcm；

图5-21 操作示意
4） 单击 Next 按钮，弹出 Select IP 窗口，展开 FPGA Features and Design 和 Clocking目录，选择 Single DCM；
5）单击 Next 按钮，显示新建资源信息，单击 Finish 按钮则弹出 Xilinx Clocking Wizard－General Setup 窗口，选中 CLK0、CLKFX 和 LOCKED，不选中 RST，输入时钟频率为 100MHz
6） 单击 Next 按钮，弹出 Xilinx Clocking Wizard – Clock Buffers 窗口，保持默认选项；
7） 单击 Next 按钮，弹出 Xilinx Clocking Wizard – Clocking Frequency Synthesizer窗口，输入 50MHz 输出频率；
8）单击 Next 按钮，显示新建资源信息。

（2）DCM 组件的例化
1） 选中 my_dcm.xaw 文件，则在工程的 Processes 窗口双击 View HDL Source，在HDL 编辑器中可以看到由 Architecture Wizard 生成的 DCM 的 VHDL 源代码。
2）在工程的 Sources 窗口，双击 uart_clock.vhd 在 HDL 编辑器中打开源代码；
3）在工程的 Sources 窗口，选择 my_dcm.xaw，在 Processes 窗口双击 View HDL Instantiation Template 在 HDL 编辑器中打开例化组件的模板。在 HDL 例化范本my_dcm.vhi 中，拷贝组件声明（从COMPONENT my_dcm 到END COMPONENT）并粘贴到 uart_clock.vhd 代码中的-- Insert DCM component declaration here 注释的下方；
4） 在 uart_clock.vhd 代码中的“-- Insert DCM component instantiation here”注释下方，添加如下对端口的名称映像完成对组件的例化：
Inst_my_dcm: my_dcm PORT MAP(
CLKIN_IN => clk,
CLKFX_OUT => clk50MHz,
CLKIN_IBUFG_OUT => open,
CLK0_OUT => open,
LOCKED_OUT => lock
);
5） 在“--Signals for DCM, as follows:”注释的下方添加 DCM 的 50MHz 的信号声明：
signal clk50MHz : std_logic;
6） 在实体说明里添加 lock 输出管脚如下：
entity uart_clock is
Port (
tx : out std_logic;
rx : in std_logic;
alarm : out std_logic;
clk : in std_logic;
lock : out std_logic );
end uart_clock;
7） 保存后，my_dcm.xaw 作为一个模块加入顶层设计文件中；

（3） 使用 PACE 进行管脚分配
1） 在工程的 Sources 窗口，选择顶层设计文件uart_clock.vhd/.v，则在 Processes 窗口，扩展 User Constraints 并双击 Assign Package Pins 打开 PACE，在此过程中弹出询问是否添加 UCF 文件到工程中对话框，单击“yes”按钮
2） 在 PACE 中浏览 Design Object List－I/O Pins 窗口，可看到所列的信号名称和信号方向是 Output 还是 Input。在 Loc 栏里每个信号对应于 FPGA 的管脚.

3） 保存后出现 Bus Delimiter 对话框，选择 XST Default，单击 OK 按钮。在 Device Architecture 窗口放大直到可以看清每个管脚；
4） 保存后出现 Bus Delimiter 对话框，选择 XST Default，单击 OK 按钮。单击菜单栏中的 File → Exit，退出 PACE；
5） 单击工程中 Sources 窗口中的 uart_clock.ucf 文件，然后双击 Prosesses 窗口中User Constraints 目录下的 Edit Constraints (Text)，就可以看到由 PACE 生成的uart_clock.ucf 管脚约束文件；

（4）检查 Pad 报告并打开超级终端
1） 单击工程中的 Sources 窗口的 uart_clock.vhd/v 文件，然后打开 Processes 窗口中的 Implement Design 目录下的 Place & Route 目录，双击 Pad Report。当 Place & Route 完成后，Pad Report 在 HDL 编辑器中打开，可以看 Pad Report 来确定 I/O信号管脚约束是否与分配的管脚相匹配；
2） 在开始菜单――所有程序――附件－－ 通讯中单击超级终端，输入名字并单击 OK 按钮，选择 COM1 作为端口连接。
3） 单击超级终端菜单中属性中的设置，单击 ASCII 设置，选中“将换行符附加到传入行末尾”并单击确定按钮。再次单击确定按钮退出属性对话框；
（5）程序的下载并操作 UART 实时时钟
1） 给板卡上电，打开 SW11 开关；
2） 单击工程的顶层文件 uart_clock.vhd/v 文件，然后双击 Processes 窗口中的Generate Programming File 来生成此工程的 Bitstream 文件并下载到芯片中去；
3） 当这个过程完成后，打开 Generate Programming File 目录，双击 Configure Device (iMPACT)，弹出 iMPACT 对话框后选择 Configure Devices using Boundary-Scan (JTAG)，然后单击 Finish 按钮；

4） 当等到弹出 Assign New Configuration File 对话框后，前两个器件都选择 bypass按钮，最后一个器件单击 uart_clock.bit 文件选择 Open 按钮，然后再点击 OK 按钮后弹出一个警告信息，单击 OK 按钮；
5） 在iMPACT 窗口右键点击xc2vp30，选择Program 后弹出Programming Properties窗口单击 OK 按钮
6） 在超级终端窗口则会看到 KCPSM3>提示符如图；
注意:这里超级终端是否显示成功不仅与下载是否成功有关，而且还与电脑的连接有关。如果COM1不行的话，可以试一下COM2。

7） 在 KCPSM3>提示符后输入“time”命令

8） 在命令提示符后输入“alarm”命令，则以 hh:mm:ss 形式显示当前警告时间，此时 alarm 是关闭的；

9） 输入“alarm on”命令，则警告变成有效，然后输入“alarm 00:00:30”设定警告时间为 30 秒，输入“time 00:00:00”设定时间后，会看到板卡上的 LED1 灯会在30 秒警告后熄灭。当你输入“alarm off”命令后则关闭警告，LED1 灯则再次亮起。
三．综合技术实验
（1）浏览设计并生成软件
1） 选择 Start → Programs → Xilinx ISE 9.1i → Project Navigator，进入 ISE 的 Project Navigator 环境；
2） 选择 File → Open Project，并指向如下目录，选择 synth_lab.ise 打开工程；
3） 用文件编辑器打开在 lab4 目录下的 Assembler 文件包中的 program.psm
4）在开始菜单中的所有程序的附件，点击命令提示符，使用 cd 命令指向汇编编译器的目录下，输入> kcpsm3 program.psm ，命令如图 5-49。
cd E:\01. ISE9.1\labs\ verilog\lab4\Assembler

5） 汇编编译系统把编写的汇编源文件 program.psm 自动生成的用于程序内存的VHDL/Verilog 格式文件 program.vhd/v 添加到工程中。
(2) 默认选项进行综合和实现
1）在工程的 Sources 窗口单击顶层文件 loopback.vhd/v 文件，双击 Processes 窗口中的 Synthesize – XST 进行综合；
2）综合完成后，双击 View Synthesis Report；

3） 在此报告中找到“Device utilization summary”，信息如下：

(3) 改变选项进行综合和实现
1）右击 Synthesize 选择 Properties，弹出 Process Properties 对话框，将“Keep Hierarchy”值选为“Yes”，然后点击 OK 按钮，重新双击 Processes 窗口中的Synthesize – XST 进行综合；
2）综合完成后，双击 View Synthesis Report ；
3）在此报告中找到“Device utilization summary”；
4） 在此报告中也可看到线网最多的扇出为 71，如图5-53。扇出会引起布线问题，因此综合会通过复用门或者嵌入缓存来限制扇出数。
5）右击 Synthesize 选择 Properties，弹出 Process Properties 对话框，单击 Category窗口的 Xilinx Specific Options，将“Max Fanout”值改为 50，单击 OK 按钮。重新双击 Processes 窗口中的 Synthesize – XST 进行综合；

6） 综合完成后，双击 View Synthesis Report；

7） 在此报告中找到“Timing Summary”，时钟频率评估值为 378.146MHz；

(4)下载并测试系统
1）在工程的 Sources 窗口单击顶层文件 loopback.vhd/v 文件，展开 Processes 窗口中的 Generate Programming File，双击 Configure Device (iMPACT)；
2）弹出 Welcome iMPACT 对话框后， 选 择 “ Configure devices using Boundary-Scan(JTAG)”，单击 Finish 按钮，按照 ISE9.1 程序下载过程，将loopback.bit 文件下载到 FPGA 中后，超级终端显示如图所示。

1.5总结与体会
通过本次实验，我熟悉了ISE9.1 使用流程实验，了解了Architecture Wizard 与 PACE 实验，并使用PACE，并且完成了一次综合技术实验，过程中熟悉了ISE9.1 开发环境，掌握工程的生成方法，掌握如何例化DCM模块单元并且学习使用保留层次和扇出综合这些选择来提高调试和综合结果。实验过程中也出现诸多问题，例如工程新建出现问题，经过多次调试以后终于找到了问题所在，自己以后会更加认真细心的。