ISE设计->（Gray与Binary的转换）

现代的数字设计中，考虑到实际应用要求，模块的时钟可能频率并不相同，跨时钟域这个比较令人痛疼的问题便油然而生了。为了满足建立时间和保持时间的要求，一种解决异步时钟域数据传送的时序违例方法出现了，采用FIFO来进行异步数据传送。

FIFO中读写指针递增电路设计很重要，常规的利用二进制计数器的方法实现指针的递增会产生时序的违例。简单分析，若计数器从ff到00改变，时钟边沿在数据转换的中间时间区域内来到，那么有可能新时钟域时钟采到的数据为00，01，10，11。这显然是不满足要求的。那么Gray码计数器就可以很好的解决这个问题。

小编说了这么多，其目的是给出一个Gray码应用的背景。好了，进入正题——利用ISE 进行电路设计。

1 配置环境

纵观Quartus II,Vivado,Modesim,Design compiler等EDA软件，可知对于电子设计来说，环境的配置是多么重要。打个比方，就FPGA而言，比较常用的设计方式是代码输入方式，利用的是FPGA内部的资源。环境就相当于一个生存空间一样，没有了生存环境，电路的设计将无法存在。在这里小编就针对常规的数字电路仿真软件modelsim来说。ISE设计，要想利用modelsim进行仿真，就必须配置环境，说道简单点，就是告诉modesim我如何去找ISE设计的文件。关于这一点不再赘述，对于ISE与modesim的联合仿真，则需在编译器件库之后，修改modelsim.ini文件，如下图所示，黄色区域为添加的路径，告诉仿真器在哪里找到器件的模型。



2 电路设计

本次设计采用代码输入，其部分代码如下：

module bin_to_gray(

        input [3:0] bin,

        output [3:0] gray

    );

     assign gray = (bin >> 1) ^ bin;

endmodule

以上代码是Binary to Gray 模块的verilog代码。当然了一个完整的设计需要很多模块，不会这么简单，在此，笔者只是以此为例。

3 添加约束

管脚约束，一般情况下写成脚本，直接读入，便于维护与移植，对于ISE来说，是.ucf文件。其格式如下：

NET bin<0>               LOC = N5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";    ## 

这是一种语言，看起来高大上，实际很简单，不同软件的约束脚本不尽相同。

时序约束，本模块并没有用到时序，因此不需要进行时序约束。但是时序约束是很重要的，笔者不多说，给读者留些学习的空间，感兴趣一定要查询资料，搞懂时序分析的原理，怎么进行约束。

3 电路仿真

电路仿真包括功能仿真和时序仿真。本文利用modelsim进行仿真。需要写testbench脚本，例化模块才能进行仿真，关于写脚本，主要是经验积累，因此需要多写，本文给出一个例子（部分核心代码），脚本质量一般，覆盖率还行，仅供参考，目的为了了解电路设计的人都可以读懂。

reg [3:0] bin;

// Outputs

wire [3:0] gray;

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)

bin_to_gray uut (

.bin(bin), 

.gray(gray)

);

initial begin

// Initialize Inputs

bin = 0;

#100;

               // Add stimulus here

#100 bin = 4'b0010;

#200 bin = 4'b1010;

#100 bin = 4'b0101;

#200 bin = 4'b0010;

end

其结果如下：



注意一定要在保证功能正确的前提下，再进行优化。

4 分析设计

不可能一次设计出来，电路模块就接近完美。因此，必须进行不断的优化。那么优化从那些方面优化，这是一个值得读者思考的问题。下图是综合之后的电路图，易知利用了PPGA内部LUT资源。



可能目前还看得不太清楚，小编进行放大处理，如下图所示。打开后发现时很简单的基本数字电路结构——门。



要想实现很好的电路优化，必须了解FPPA内部的资源，只有熟悉了FPGA内部底层资源组成和工作原理，你才能灵活的分配与调用这些资源，下图就赛琳思一款FPGA的内部资源图，其中上面设计用到的LUT就是CLB的子模块。



同时还有分析时序，看一看时序是否有违规现象，若有就需要迭代以上的步骤。

5 下载及上板测试

在以上步骤都没问题的情况下，就可以进行最后一步，下载，在实际的环境中运行电路，看看是否满足要求。

笔者说的好多了，相比流程介绍来说，这篇文章显得特别简略，好多就没提，笔者只是从一些特定的角度谈一下有关ISE设计的东西。