FPGA（FPGA）技术目前正受到广泛欢迎。 应用程序的数量在不断增长：除处理数字信号外，FPGA还被用于加速机器学习，区块链技术，视频处理和物联网。
该技术的主要缺点是：对于编程，使用了数字设备Verilog和VHDL的相当复杂和特定的描述语言。 这使新人进入FPGA的工作变得复杂，而且雇主很难找到在劳动力市场上具有这种特定知识的专家。 另一方面，带有
MyHDL框架的流行的高级Python编程语言使FPGA编程变得简单而有趣。 而且，了解Python的人在Verilog / VHDL方面的专家要多得多。 在一系列文章中，我想展示进入Python领域并了解Python并开始用这种语言编写真正复杂的FPGA项目是多么容易。 我注意到python不是直接在FPGA上执行的，而是一个生成固件的工具。
首先，我们需要python 3.6本身（此后，所有操作都在Ubuntu 18.04 OS上执行）。
安装myhdl：
pip3 install myhdl
作为“ Hello World！” 我们将编写一个简单的程序，使按下按钮时LED点亮。 在微处理器世界中，“ Hello World！” 这是一个使用单个LED进行闪烁的程序；在FPGA世界中，Hello World是一千个LED的闪烁。 板上只有四个LED，因此我们仅根据按钮按下情况对其进行闪烁。 重要的是要注意，FPGA中的所有代码与微控制器不同，是同时执行的，所有二极管同时点亮和熄灭。 在微控制器的情况下不是顺序的。 该测试使用WaveShare OpenEPM1270板和板上的Altera Max II EPM1270T144C5板。
创建一个新的python文件：
from myhdl import * from random import randrange def led_blinker(input1, led1, led2, led3, led4): @always_comb def on_off_led(): if input1 == 1: led1.next = 1 led2.next = 1 led3.next = 0 led4.next = 0 else: led1.next = 0 led2.next = 0 led3.next = 1 led4.next = 1 return on_off_led
要了解我们的代码是否正常工作，您需要验证工具。 实际上，任何用于FPGA的程序都是数字信号处理器，因此开发人员需要确保他正确地指出了如何处理该芯片。 这是通过仿真完成的，为此，您需要安装一个程序来显示已处理的信号。 有很多这样的程序，但是我认为这是目前最好的免费GTKWave。 它从终端放：
sudo apt-get install gtkwave
接下来，在带有固件的文件中，应描述测试环境。 这也是python函数：
def test(): input1, led1, led2, led3, led4 = [Signal(bool(0)) for i in range(5)] test = led_blinker(input1, led1, led2, led3, led4) @always(delay(10)) def gen(): input1.next = randrange(2) return test, gen
在这里，测试环境生成一个零和一的随机序列（使用Python模块random）。
def simulate(timesteps): tb = traceSignals(test) sim = Simulation(tb) sim.run(timesteps)
然后我们初始化模拟器，将test_inverter环境函数拖到那里。 因此，我们得到了俄罗斯玩偶逆变器→test_inverter→模拟（以任意单位表示的时间）。
运行脚本后，将在工作文件夹中创建一个.vcd文件，该文件应通过gtkwave在终端gtkwave test_invereter.vcd中传递。
结果，生成了输入信号input1的随机序列，以及led_blinker函数如何处理这些信号。
在确保逻辑完全按照我们的要求工作之后，我们应该将此函数放入FPGA中。 我曾经使用过Intel（以前称为Altera）的芯片，对于其他制造商使用合适的CAD系统的芯片，此操作顺序与此类似。 在FPGA芯片上创建一个二进制文件，该文件由芯片制造商的编译器创建，对于Intel，它是Quartus，对于Xilinx Vivado。 编译器只能使用VHDL / Verilog中的代码，因此Python代码应翻译为这些语言中的任何一种（无关紧要）。
def convert(): input1, led1, led2, led3, led4 = [Signal(bool(0)) for i in range(5)] toVerilog(led_blinker, input1, led1, led2, led3, led4) convert()
在此示例中，代码被翻译为Verilog。 结果在led_blinker.v文件中，Quartus将需要提供它以生成FPGA固件：
module led_blinker ( input1, led1, led2, led3, led4 ); input input1; output led1; reg led1; output led2; reg led2; output led3; reg led3; output led4; reg led4; always @(input1) begin: LED_BLINKER_ON_OFF_LED if ((input1 == 1)) begin led1 = 1; led2 = 1; led3 = 0; led4 = 0; end else begin led1 = 0; led2 = 0; led3 = 1; led4 = 1; end end endmodule
在这种开发FPGA固件的方法中，您可以忽略该文件并将其放入Quartus。
您可以从
fpgasoftware.intel.com下载Quartus，我们需要一个免费的Lite版本，对我们来说这已经足够了。 下载9 GB的基本版本大小。
对于普通的Linux用户来说，安装Quartus应该不是问题。 安装后，您需要在系统中设置一些参数，以便可以使用设备来刷新FPGA程序-程序员：
1.创建一个udev规则。 为此，请创建一个新文件/etc/udev/rules.d/51-altera-usb-blaster.rules，内容如下：
使用udevadm重新启动udev：
sudo udevadm control --reload
2.允许非root用户访问USB-Blaster设备。 为此，请使用以下行创建文件/etc/udev/rules.d/altera-usb-blaster.rules：
ATTR{idVendor}=="09fb", ATTR{idProduct}=="6001", MODE="666"
这使rw-rw-rw-可以访问编程器。
3.配置jtagd。 Quartus使用jtagd守护程序来工作，该守护程序将软件与编程器设备相关联。 使用Quartus从目录复制描述：
sudo mkdir /etc/jtagd sudo cp <Quartus install path>/quartus/linux64/pgm_parts.txt /etc/jtagd/jtagd.pgm_parts
运行Quartus并创建一个新项目“文件”-“新建项目向导”，输入项目名称。
接下来，单击“下一步”。 然后在“添加文件”菜单中，将生成的Verilog文件扩展名为.v。 因此，如果从python文件中编辑verilog文件，它将被Quartus自动提取。接下来，我们进入器件选择菜单，在本例中为MAX II EMP1270T144C5，接下来的几次。 项目已创建。
在项目浏览器中，转到文件菜单，然后右键单击我们的Verilog文件“设置为顶级实体”。
我们编译项目。 现在，在“ Assignments-Pin Planner”菜单中，配置芯片上的引脚：
重新编译。 现在一切准备就绪，可以进行编程了：Tools-Programmer。 我们将编程器和电源连接到板上，在“硬件设置”中，选择我们的USB-Blaster，设置如图所示的复选框并单击“开始”。
程序员报告成功之后。 您可以在板上看到结果：
结论
本课描述了如何使用Python编程语言创建工作环境和第一个简单的FPGA项目。
考虑：
- 如何安装：
- 在Ubuntu中配置的USB Blaster编程器；
- FPGA开发的FPGA项目;
- 测试和验证项目；
- 为FPGA编译了一个项目；
- 项目上传到FPGA。