從0開始計算機體系結構的學習(一)：FGPA預備知識與Vivado環境搭建

孤飞發表於2024-09-13
計算機

引入與預備知識

什麼是FPGA？

FPGA（Field-Programmable Gate Array，現場可程式設計門陣列）是一種積體電路（IC），其硬體功能可以透過使用者在現場程式設計來定義。與傳統的ASIC（專用積體電路）不同，FPGA在製造完成後仍然可以根據需求進行重新配置。因此，它們被廣泛應用於需要靈活性和可定製性且效能要求較高的場景中，如通訊、訊號處理、自動駕駛和物聯網等領域。

FPGA的主要特點包括：

  1. 可程式設計性：使用者可以透過硬體描述語言（HDL），如Verilog或VHDL，來編寫FPGA內部的邏輯功能，並透過工具進行綜合、實現和下載到FPGA中。

  2. 並行處理能力：FPGA支援高度並行的運算，多個邏輯單元可以同時獨立工作，因此它們在處理需要高吞吐量的應用時表現優越，比如影像處理或訊號處理。

  3. 硬體加速：在某些特定的計算任務中，FPGA可以作為加速器，透過硬體來實現更高效的運算。

  4. 靈活性：FPGA可以在開發階段或部署階段根據需求進行功能修改，而無需像ASIC那樣重新設計和製造晶片。

FPGA通常應用在需要高效能、低延遲且具有高度靈活性和可定製性的領域，比如通訊基站、航空航天、工業控制、加密處理等。

什麼是Vivado？

Vivado 是由 Xilinx（賽靈思）公司開發的一套設計工具，用於 FPGA 和 SoC（System on Chip，片上系統）等可程式設計邏輯器件的設計、綜合、模擬和實現。它是專為 Xilinx FPGA 和可程式設計 SoC 平臺（如 Zynq 系列）設計的，並且提供了從設計輸入到硬體實現的全流程支援。

Vivado 工具的主要功能和特點包括：

  1. 綜合（Synthesis）：將硬體描述語言（HDL）程式碼（如 Verilog、VHDL）轉換為可以在 FPGA 上實現的門級電路。Vivado 提供了高效的綜合器，可以最佳化設計的效能、面積和功耗。

  2. 實現（Implementation）：綜合後的設計需要經過對映、佈局佈線等步驟，才能變成實際可用於 FPGA 的邏輯配置。Vivado 透過自動化的工具實現這些過程，並提供了詳細的報告和最佳化建議。

  3. IP 整合：Vivado 支援對現成的 IP 核進行整合，這些 IP 核可以是 Xilinx 自帶的，也可以是第三方開發的功能模組，能夠極大地加快開發過程。Vivado 的 IP Integrator 允許設計人員圖形化地整合和連線多個模組。

  4. 模擬和驗證：Vivado 提供了模擬功能，幫助設計人員在將設計下載到 FPGA 之前驗證邏輯功能的正確性。透過模擬，設計人員可以在虛擬環境中測試設計的行為，減少錯誤和除錯時間。

  5. 除錯工具：Vivado 中整合了硬體除錯工具，如 Vivado Logic Analyzer 和 Integrated Logic Analyzer（ILA），可以幫助設計人員在 FPGA 上執行程式碼時實時監控內部訊號的狀態，便於查詢和解決問題。

  6. 高效的介面：Vivado 提供了現代化的圖形使用者介面（GUI），使用者可以透過拖拽、連線元件的方式進行設計，同時也支援命令列和指令碼操作，適合不同的設計需求。

Vivado 是 Xilinx FPGA 開發流程的核心工具，支援從 RTL（暫存器傳輸級）設計輸入到最終配置檔案生成的全流程，是 FPGA 設計工程師不可或缺的開發環境之一。

環境準備

Vivado下載安裝

下載

下載透過百度網盤更加方便，教程和連結可透過此連結獲取：win10安裝vivado + vitis 2019.2 教程_vitis2019.2安裝教程-CSDN部落格

需要注意，其他版本的下載連結不附帶vitis，故需透過上述連結安裝。網盤直達：

Vivado19.2 安裝包：連結：https://pan.baidu.com/s/1fPlNDzpC0EPXMhOloDyzfA
提取碼：1234

安裝教程

  • 參考電子書：《達芬奇 Pro 之 FPGA 開發指南》第四章p110，訪問連結：

透過網盤分享的檔案：FPGA開發指南 V1.3.pdf
連結: https://pan.baidu.com/s/1Zqfn0Vq5Kqbzhe6X5WwMyA?pwd=5y97 提
取碼: 5y97

  • 也可直接參考本部落格【較為完善】：最詳細手把手教你安裝 Vivado2019.2

需要補充一點，這裡選項很重要（書上沒寫，也沒有涉及圖片）！！！選擇vitis,我查了下，你選擇vitis相當於選擇了全家桶，包括了vitis + vivado,如果選擇下面vivado選項的話，那麼就沒有vitis IDE.就不能進行PS端開發。

破解證書

詳細教程請看本文：最詳細手把手教你安裝 Vivado2019.2

  • 安裝完成後自動開啟許可證管理軟體，點選 Load License，點選 Copy License，找到資源包裡的許可證檔案，點選 開啟
  • 也可以透過下圖所示再次開啟許可證管理軟體，選擇自己獲得的license

VScode配置

請看教程：

  • Vivado與Vscode程式設計環境的搭建_vivado關聯vscode-CSDN部落格

  • VSCode配置verilog環境(程式碼提示+自動例化+格式化)_vscode verilog-CSDN部落格

請注意，如果你使用的是vscode-insider版本（也就是有copilot的綠色版本），那麼你需要自定義編輯器的版本命令是：

cmd /S /k "code-insiders -g [file name]:[line number]"

Vivado軟體教程

請看教程：

  • 03工具篇：Vivado軟體的安裝嗶哩嗶哩_bilibili
  • 04Vivado軟體的使用（第一講）嗶哩嗶哩_bilibili
  • 05Vivado軟體的使用第二講嗶哩嗶哩_bilibili

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