手把手教你在Xilinx FPGA开发平台构建MicroBlaze软核——Digilent CMOD A7 FPGA评测 |电子通-应用新知，新电子的助推者电子通

FPGA即现场可编程门阵列，属于可编程逻辑器件的一种。随着工艺的进步和EDA设计工具的不断发展，FPGA的门槛（学习成本和价格成本）也越来越低，目前已经成为实现数字系统的主流平台之一。尤其是很多厂商都在开发便携式、低成本的拇指型最小系统式开发平台，好用不贵，让越来越多学生/工程师进入到可编程逻辑的世界中来。

这样的平台，比较有代表性的莫过于爱板网评测过的几款小脚丫FPGA开发板，比如

基于Lattice FPGA 的STEP-MXO2；

或者是

基于Altera（Intel）FPGA 的STEP-MAX10。

本文原文地址： https://www.eeboard.com/evaluation/digilent-cmod-a7-fpga/

而今天爱板网同样要给大家推荐一款拇指型FPGA开发平台，但是，是基于另一个全球最大的FPGA厂商Xilinx的开发平台，板子为Cmod A7，由Digilent设计制造。

Cmod A7跟小脚丫FPGA的版型类似，最大的不同还是基于Xilinx Artix-7 FPGA，当然，在外设上与小脚丫FPGA相比，各有长短。

比如CMOD A7没有搭载数码管，没有拨码开关，RGB LED/LED/按键都要比小脚丫FPGA上的少，但是CMOD A7额外搭载了SRAM，Quad-SPI Flash，扩展的IO口也比小脚丫FPGA多。

不过整体来看，CMOD A7同样是最小系统原型板，只不过是基于Xilinx Artix-7 FPGA的平台，这算与小脚丫FPGA开发板最大的不同，CMOD A7板子具体样子如下图所示。

在Cmod A7板子上，有44个可以作为数字FPGA I/O的引脚，用户能够非常方便地将可编程逻辑设计直连面包板电路，同时板载USB-JTAG编程电路/USB-UART桥接功能，配合Xilinx Vivado开发工具，可以进行各类数字逻辑电路以及MicroBlaze嵌入式软核处理设计。

CMOD A7开发板特性：

Xilinx ARTIX-7 35T FPGA
512KB SRAM，支持8位总线以及8毫微秒访问时间
4MB Quad-SPI Flash
USB-JTAG编程电路/USB-UART桥接
USB或外部3.3-5.5V连接DIP pins供电
2个LED、1个RGB LED、2个按钮
48引脚DIP连接器，带有44个数字I/O以及2个模拟输入（0-3.3V）
1个Pmod连接器，带有8个数字I/O

除了此次板子上搭载的Xilinx ARTIX-7 35T FPGA，CMOD A7还有一个Xilinx ARTIX-7 15T 的FPGA版本，两者的唯一区别就是搭载了同系列中不同规格的FPGA型号，两者的区别如下表：

文章中的CMOD A7开发板搭载的FPGA具体型号为ARTIX-7 35T cpg236-1，这是Xilinx ARTIX-7系列中中端的FPGA产品。

Artix-7系列是Xilinx 28nm的FPGA数字开发平台，实现了低成本和低功耗，并且经过优化，可以在设计中实现最佳的性能与功耗结合，另外，Artix-7 器件具有非常显著的特点，集成了AMS、收发器等功能，可以广泛的应用在软件定义无线电、机器视觉照相以及低端无线回传的领域。

上电使用

CMOD A7 开发板使用非常简单方便，一根micro-USB线就能搞定一切，同时可用于供电、下载调试、USB-UART功能，方便工程师开发。

板卡通过MicroUSB接口供电口上电后，可以看到会提示需要安装板载的USB转串口芯片驱动，这款芯片是FTDI F2232系列，非常常见，可能很多工程师的电脑上本身就有这个芯片的驱动，再不然，我们也可以在网上找到驱动，安装后可以看到相应的串口。

波特率设置为9600，8bits，no parity，1 stop bit，复位板卡即能看到串口输出，板子默认程序是一个Memory的测试程序，会输出测试结果，Memory正常工作的测试结果如下。

另外，通过CMOD A7板子上另一个按键可以实现RGB LED的色彩变换。

开发环境

CMOD A7 FPGA开发板可以选用Xilinx官方的EDA设计工具Vivado，最新版本是2017年的，这是一个非常强大的工具，但是有些遗憾的是，要使用其全部的功能，是需要Lincence的，而且完整的安装包也异常的大，20GB多的容量有些吓人。不过目前官方也推出了网页安装包，用这个非常方便，可以最精简的选择你所需要的器件，安装程序的话可以去官网下载。

本文使用的是Vivado 2016.3的版本，曾经下载过的，安装包太大，懒的下载最新的。有一点需要注意的，在安装过程中可以一并选择安装SDK软件。

最精简的安装方式也要20GB的空间。

整个安装过程大概45分钟左右，当然，这个安装时间是依赖你所用的计算机性能。

开发工具准备完毕，下面将使用Vivado IP Integrator在CMOD A7开发板上构建MicroBlaze软核，并实现相应的功能，比如MicroBlaze软核实现串口输出。

下载安装CMOD A7的板级支持包：下载地址

将CMOD A7-35T开发板的板级支持包文件复制到Vivado的安装目录下X:\Xilinx\Vivado\2016.3\data\boards\board_files

创建项目

打开Vivado EDA工具，熟悉的界面。

新建一个名为hello_eeboard的项目名

选择RTL Project，其它默认，不同勾选，一直点Next下一步。

选择对应的板卡Cmod A7-35T

最后会有一个项目的信息以及器件的信息的总的概览，也就是你前面设置的一些信息，确认无误后点击完成就可以进入到EDA工具的主窗口。

在项目中创建新的Block设计

下图则是hello_eeboard项目的主窗口界面，在这里我们就可以基于Block设计创建MicroBlaze IP或者添加RTL，整个主窗口界面的左侧有不少导航栏，包括了创建硬件设计、仿真、综合、生成bit文件等功能。

这里的话我们通过IP integrator创建一个新的Block设计。

添加MicroBlaze软核&配置

在创建的Block设计中，在Diagram框中点击add IP添加MicroBlaze软核（双击就可实现添加）

手把手教你在Xilinx FPGA开发平台构建MicroBlaze软核——Digilent CMOD A7 FPGA评测

在Block设计的Board标签中找到系统时钟（system clock）添加（直接拖动到Diagram即可完成添加），board标签下的东西就是之前安装的CMOD A7-35T的板级文件。

点击Run Block Automation，打开MicroBlaze软核的Block Automation界面

这个界面中你可以选择配置多少memory到你的软核，这里的设置如下

完成后会自动执行Block Automation动作，会按照你刚刚的设置自动生成一系列IP Blocks，如下图所示，另外现在不要执行Run Connection Automation动作，因为我们还要继续配置。

添加Cell RAM单元

还是在Board标签栏中找到Cell RAM，直接点击拖动到Diagram框中。

这里我们需要做的是将rdclk pin连接到clk_out1上

添加外设单元

在hello_eeboard项目一开始就打算做一个基于MicroBlaze软核的串口输出，所以在软核添加完毕后我们还需要添加UART外设，同样在board标签中找到USB UART单元拖动到Diagram中。

所有外设单元都添加完毕，我们可以选择Run Connection Automation。

确保Run Connection Automation框中所有的All Automation都已经勾选。

点击完成会为Block Memory以及外设单元创建AXI总线连接，然后我们可以点击左侧中的Regenerate Layout来重新排版你的框图，使之看起来更具有流程化，更好看了。

验证设计以及创建HDL Wrapper

点击Tools-->Validate Design，它会检查设计、连接是否有错。

验证设计结果无误

验证无误之后我们可以创建HDL Wrapper，点击Block Design框中的Sources标签，找打自己的设计项目文件-->create HDL Wrapper

在弹出的窗口中选择Let Vivado manage wrapper and auto-update，然后点击OK。

这个过程会在VHDL中创建一个允许你生成bitstream文件的Top module。

生成Bit文件

上一步完成之后，我们就可以先保存下你的项目，然后在Flow-->Generate Bitstream生成bit文件

这个过程中会执行Synthesis and Implementation，根据你的计算机性能所花费的时间有所不同，笔者的渣渣笔记本将近用了半个多小时。

bit文件生成后会出现如下的弹窗，也就是说，到这边我们的MicroBlaze的软核正式构建完成了，就差把它配置到FPGA中，这里先不用管它，点击Cancel。按照一开始的想法，我们要用软核实现串口的功能，所以还要写个小程序用起来。

导出硬件到SDK

嵌入式的程序需要用到C/C++编辑器，这里将使用Xilinx内置的Vivado SDK，基于eclipse。点击File-->Export-->Export Hardware

这弹出窗口中勾选Include Bitstream，这里输出的作为Vivado SDK所需的系统打包的硬件。

这时同样会有两个文件被创建 .sysdef 以及 .hdf（.hdf包括了硬件设计规格以及IP Blocks），控制台会显示详细的信息，如下所示，这是创建SDK Workspace必须的，不用在意。

然后在Vivado EDA主窗口中打开Xilinx SDK，Files-->Launch SDK

这时在弹出的窗口中选择默认的路径设置 Local to Project

点击OK就会打开Xilinx SDK以及导入你的硬件信息。

Xilinx SDK算是作为一个独立的C/C++软件开发工具，可以独立于Vivado使用。这里的话，我们就可以基于我们之前构建的硬件平台（MicroBlaze软核）上做嵌入式的开发。

在Xilinx SDK中创建你的项目

按照最初的想法，在MicroBlaze上做一个串口输出的hello_eeboard程序，点击File->new->Application Project，在SDK中创建hello_eeboard项目名，C语言开发方式。

看到有相应的模板，那就不客气，直接拿来改下。

载入模板后可以看到有几部分的内容，display_hello_world包含了所有的binaries, .C以及.H (Header)文件；display_hello_world_bsp也就是板子支持的文件夹；这里我们主要的工作目录为display_hello_world文件夹，点击里面的helloworld.c文本。

hello eeboard程序

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
int main()
{
init_platform();

print("Hello EEboard\n\r");

cleanup_platform();
return 0;
}

到这里基本上一切都就绪了，就差东风了。

将bit文件下载到FPGA中

首先确保CMOD A7-35T开发板已经连接到电脑，USB-JTAG、USB-UART都可以正常工作。

点击SDK中的Program FPGA按钮，如下图所示

点击Program，将你的硬件设计下载到你的FPGA中

也就是将你构建的MicroBlaze配置到FPGA中

将程序下载到Microblaze软核中

在FPGA中配置完MicroBlaze软核，接下来就可以将hello_eeboard程序下载到MicroBlaze中，选中hello_eeboard项目，选中Run As-->Launch on Hardware (System Debugger)

程序下载中

下载完成后，我们可以打开串口终端，CMOD A7开发板上的复位键可以看到串口成功输出“Hello EEboard”的结果，到这里，MicroBlaze软件的构建以及在软核上实现编程都完成了。

其实吧，只要一旦软核构建完成，你就可以在此基础上进行各种嵌入式的开发，到这步的话已经跟普通的微控制器编程开发区别不大了，而使用FPGA的好处在于如果你想改变硬件的话，还可以通过Vivado EDA工具构建不同功能的软核配置不同的外设功能，当然，这样做的话还是需要退回到Vivado EDA工具上修改，然后保存，重新导出新的硬件规格到SDK中进行开发，但是，这相比单一的嵌入式微控制器的开发，在FPGA上软核的构建方式无疑更自由，兼容度更广，好处是显而易见的。当然，凡事都讲两面，说完了利，也该说说弊，对于如果仅仅想做嵌入式开发，选择一个合适的单片机明显更为合适，毕竟开发难易度、成本、效能都摆在那了。

而如果要选择使用FPGA的话，要么是本身就有学习或者使用FPGA的打算，要么无疑是想向更高难度，更灵活自由，以及那些嵌入式微控制器没法涉及的领域挑战，因为在那里FPGA有绝对的优势，比如说现在很火的人工智能、4K/8K视频解码等一些需要大规模并行计算的高级应用，当然，现在在精而美的移动产品中也有不少小封装的FPGA存在，一句话来总结就是，依托于成本和门槛的降低，目前FPGA的应用已经越来越广了，此时不学FPGA，更待何时。

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