FPGA入门指南：使用NEXYS A7在Vivado中完成您的第一个项目

时间：2026-02-03 来源：FPGA_UCY 关于我们 0

欢迎各位未来的硬件设计师！如果您是一名工程专业的学生，即将踏入现场可编程门阵列 (FPGA) 的世界，那么您来对地方了。本文将指导您完成第一次实验课程，我们将使用功能强大的 Xilinx Vivado 设计套件来实现一个简单的数字电路。

我们将从零开始：创建一个项目，编写第一行Verilog代码，模拟设计，最后对FPGA板进行编程，以在现实世界中看到我们的作品。那么，让我们马上开始吧！

什么是FPGA？

在深入了解工具之前，让我们先快速了解一下我们要使用的技术。现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种非常神奇的硅芯片。与功能固定的普通微处理器（例如笔记本电脑中的微处理器）不同，FPGA 就像一张白纸。您可以对其内部电路进行编程，使其充当您能想象到的任何数字系统——从简单的逻辑门到复杂的处理器，或者介于两者之间的任何系统。

你可以把它想象成一套数字乐高积木，你可以在芯片制造完成后定义每个模块之间的连接方式。我们使用一种叫做Verilog HDL（硬件描述语言）的语言来“告诉”FPGA我们希望它变成什么样子。不同的计算机行业对FPGA板卡有不同的定义，我们将使用NEXYS A7。

NEXYS A7 FPGA 训练板

FPGA设计的五步历程

在 Vivado 中，将 Verilog 代码转换为 FPGA 上的可运行电路涉及五个关键步骤：

综合： Vivado 将您编写的人类可读的 Verilog 代码转换为基本逻辑门的网表。映射：然后将此门级网表映射到目标 FPGA 上可用的特定组件（如查找表或 LUT）。布局：该工具确定 FPGA 上这些映射组件的最佳物理位置，以最大限度地减少延迟并有效利用空间。布线：FPGA 内部的可编程连接（导线）配置为将所有放置的组件连接在一起。比特流生成：最后，布局布线后的设计被转换为 .bit 文件，这是一个包含 FPGA 所有配置信息的二进制流。

将此比特流加载到电路板上，即可对 FPGA 进行编程，使其按照您的设计运行。

动手实践：构建一个简单的与门

本教程的目标很简单：在 Nexys A7 FPGA 板上实现一个2输入与门。与门只有在两个输入都为“ 1 ”时才输出“ 1 ”。

步骤 1：在 Vivado 中创建新项目启动Vivado IDE。你会看到一个启动屏幕。

Xilinx 项目导航器窗口

点击“快速入门”下的“创建项目”。向导将引导您完成操作。为您的项目选择一个名称和一个地点。选择“RTL 项目”作为项目类型。RTL 代表寄存器传输级，是一种常用的数字电路设计方法。在“添加源文件”窗口中，我们可以选择在此处创建HDL文件，也可以在设置项目之后再创建。我们现在先跳过这一步。添加约束文件也是如此，我们稍后再讨论。在“默认部件”窗口中，您需要选择以下选项才能在 NEXYS A7 板上实现设计：

7. 查看摘要并点击“完成”。您的项目现已创建完成！

步骤 2：编写 Verilog 代码

项目设置完成后，主编辑器窗口将会出现。

主窗口

现在，让我们用 Verilog 描述一下我们的与门。

在“源”窗口中，单击“+”图标，然后选择“添加或创建设计源”。点击“创建文件”，根据您的喜好命名（例如：MyANDgate ），并将文件类型设置为Verilog。此时会弹出一个新窗口，供您定义模块的端口（输入和输出）。您可以跳过此步骤，因为您需要在代码中定义这些端口；或者，您可以按如下方式填写：

4. 单击“确定”和“完成”。Vivado 将为您生成一个模板。

5. 在“源文件”面板中，双击MyANDgate.v将其打开。典型的与门 Verilog 代码如下所示：

module myANDgate( 
    input  a , 
    input  b , 
    output c 
    ); 
    
    and o1(c, a , b ); // 这是Verilog 中用于 AND 门的内置原语
    
endmodule

步骤 3：模拟设计

在对电路板进行编程之前，最好先检查一下逻辑是否正确。我们使用测试平台来完成这项工作。

再次点击“添加源”，但这次选择“添加或创建模拟源”。创建一个名为“ test ”的新文件。打开此文件并粘贴以下测试平台代码。此代码将所有可能的输入组合（00、01、10、11）应用于我们的与门。

module test1;
    // Inputs
    reg a;
    reg b;
    // Outputs
    wire c;
    // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    MyANDgate uut (
        .a(a),
        .b(b),
        .c(c)
    );
    initial begin
        // Initialize Inputs
        a = 0; b = 0; #100; // Wait for 100 time units
        a = 1; b = 0; #100;
        a = 1; b = 1; #100;
        a = 0; b = 1; #100;
        a = 1; b = 1; #100;
    end
endmodule

4. 保存文件。现在，在左侧的流程导航器中，转到“仿真”>“运行仿真”>“运行行为仿真”。

5. 此时会打开一个波形窗口，显示输出如何随输入变化而变化。验证输出c仅在 a和b都为“1”时才为“1”。

模拟设计

在FPGA上实现设计

这是最激动人心的部分！现在我们将把虚拟设计连接到FPGA的物理引脚上。

步骤 4：添加约束文件

Nexys A7 开发板带有物理开关和 LED。我们需要告诉 Vivado 输入a连接到特定的开关，输出c连接到特定的 LED。我们通过约束文件(.xdc)来实现这一点。

点击“添加源”，选择“添加或创建约束”，然后为您的文件命名。打开此文件并添加以下几行：

## 开关
set_property - dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports a]; 
set_property - dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports b]; 
## LED
 set_property - dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports c];

此代码将端口a映射到开关0 （引脚 J15），端口b映射到开关1 （引脚 L16），端口c映射到LED 0（引脚 H17）。

步骤 5：生成比特流并对电路板进行编程

我们快到了！

在流程导航器中，单击“生成比特流”。Vivado 将运行综合、实现，最后生成 .bit文件。这可能需要一分钟时间。现在，通过 USB 将 Nexys A7 开发板连接到电脑并开机。在 Vivado 中，打开“硬件管理器”，然后单击“打开目标”>“自动连接”。检测到开发板后，点击“编程设备” 。此时会弹出一个对话框，显示.bit文件的路径。点击“程序”。