Introdução

Neste tutorial, abordaremos o desenvolvimento de designs digitais utilizando VHDL e o framework Vivado da Xilinx, juntamente com simulações na ferramenta ModelSim. O objetivo é guiar você em todas as etapas do processo de desenvolvimento em FPGA, desde a criação do projeto até a verificação da funcionalidade do hardware através de simulações. Se você é um desenvolvedor que deseja aprofundar seus conhecimentos em design digital e FPGAs, este artigo fornece uma abordagem prática e direta, permitindo que você implemente e teste suas ideias em um ambiente controlado.

Etapas

  1. Configuração do Ambiente de Desenvolvimento

    Instale o software Vivado e ModelSim em seu computador. O Vivado pode ser baixado diretamente do site da Xilinx após criar uma conta gratuita, enquanto o ModelSim exigirá uma instalação separada. Certifique-se de seguir as instruções do instalador para configurar as ferramentas corretamente.

    commands
    # Download do Vivado
    https://www.xilinx.com/support/download/index.html
    # Download do ModelSim
    https://www.mentor.com/products/hybrid/featured/model-sim

  2. Criando um Novo Projeto no Vivado

    Abra o Vivado e crie um novo projeto. Selecione a opção para criar um projeto em branco, forneça um nome e um local para o projeto, e escolha a família de dispositivos FPGA desejada de acordo com o seu hardware. Na próxima tela, selecione a opção para criar um arquivo VHDL de design.

    commands
    # Abrir Vivado
    # Criar Novo Projeto
    File -> New Project

  3. Escrevendo o Código VHDL

    No editor do Vivado, crie um novo arquivo VHDL para o design. Neste exemplo, implementaremos um contador de 4 bits. O código a seguir define um contador simples que conta de 0 a 15.

    contador.vhd
    library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity contador is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           count : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0));
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            count <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            count <= count + 1;
        end if;
    end process;
end contador;

  4. Compilando o Projeto no Vivado

    Após escrever seu código VHDL, você precisa sintetizá-lo e implementá-lo. No Vivado, vá até a aba ‘Flow Navigator’, clique em ‘Synthesize’, aguarde a síntese ser concluída e, em seguida, clique em ‘Implement Design’.

    commands
    # Syntetizar o Design
    Clique em 'Synthesize'
    # Implementar o Design
    Clique em 'Implement Design'

  5. Realizando Simulações com ModelSim

    Após a implementação, exporte seu design para o ModelSim para verificar a funcionalidade. Crie um banco de testes em VHDL para simular o contador. O código a seguir representa um banco de testes básico para o contador.

    bancoteste.vhd
    library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity bancoteste is
end bancoteste;

architecture behavior of bancoteste is
    signal clk : STD_LOGIC := '0';
    signal rst : STD_LOGIC := '0';
    signal count : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);
    constant clk_period : time := 10 ns;
begin
    uut: entity work.contador
        port map ( clk => clk, rst => rst, count => count);

    clk_process :process
    begin
        clk <= '0';
        wait for clk_period/2;
        clk <= '1';
        wait for clk_period/2;
    end process clk_process;

    stim_proc: process
    begin
        rst <= '1';
        wait for 20 ns;
        rst <= '0';
        wait;
    end process stim_proc;
end behavior;

  6. Executando a Simulação

    Com o banco de testes criado, inicie o ModelSim, compile o design e o banco de testes, e em seguida execute a simulação. Observe as saídas no console e utilize a ferramenta Wave para visualizar o sinal ‘count’.

    commands
    # Iniciar ModelSim
    # Compilar o design e o banco de testes
    vcom contador.vhd
    vcom bancoteste.vhd
    # Executar a simulação
    vsim work.bancoteste

  7. Otimização do Design

    A partir dos resultados das simulações, identifique áreas que podem ser melhoradas. Isso pode incluir alterações na lógica de contagem, otimização do uso de recursos ou ajustes nas temporizações. A prática constante ajuda a desenvolver designs mais eficientes.

    commands
    # Revisar e otimizar o código
    # Re-execute a simulação após otimizações

Conclusão

Neste tutorial, você aprendeu a desenvolver um design digital em VHDL para FPGA utilizando o Vivado e a realizar simulações com o ModelSim. Através da criação de um contador simples, ilustramos todo o fluxo desde a concepção do projeto até a simulação e otimização. Com as habilidades adquiridas, você agora está capacitado para explorar projetos mais complexos e aplicar as melhores práticas em design digital e desenvolvimento de FPGAs.

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