Microsemi Libero SoC使用教程（胎教级 免费）（创建工程、引脚分配、仿真、逻辑分析仪ILA）

Libero SoC是一款集成了多种功能的FPGA开发软件，可以用来设计、仿真、综合、布局、布线、下载和调试FPGA项目。

1、新建工程

首先，我们需要新建一个工程，点击File->New Project，然后给工程取一个名字，选择工程的存放路径，点击Next。

接下来，我们需要选择FPGA的family和芯片型号

然后，我们需要更改电压，这里我选择了3.3V，点击Next。

如果我们有已经编写好的HDL文件，可以在这里导入，点击Add Files，选择HDL文件，点击Next。如果没有，可以跳过这一步。

如果有编写好的PDC约束文件，可以在这里导入，点击Add Files，选择PDC文件，点击Next。如果没有，可以跳过这一步。最后，点击Finish，就完成了工程的新建

2、创建HDL文件

创建工程完成后，我们可以看到如下图的界面，这里我们可以看到Design Flow，这是Libero SoC的核心功能，它可以帮助我们完成从设计到下载的整个流程。

我们先来创建一个HDL文件，点击Design Flow中的Create HDL

然后给HDL文件取一个名字，然后选择HDL的语言，这里我选择了VHDL，还可以选择是否使用模板创建，使用模板创建文件会给出最基础的代码结构，点击OK。

可以看到，Libero SoC自动为我们生成了一个VHD文件，最基础的代码结构已经给出，包括了模块名、端口定义、参数声明等，我们只需要在这个基础上编写我们的逻辑代码即可。

这里我编写了一个简单的时钟分频器的代码，输入50MHz的时钟，分配输出25MHz和5MHz两种时钟，代码如下：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.std_logic_1164.ALL;
USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
USE ieee.numeric_std.ALL;

ENTITY Clock IS
	PORT (

		-- input
		CLK 	: IN STD_LOGIC; -- system clock 50MHz
		RESET_N	: IN  STD_LOGIC;

		-- output
		CLK_25M : OUT STD_LOGIC;
		CLK_5M 	: OUT STD_LOGIC
	);
END Clock;
ARCHITECTURE architecture_Clock OF Clock IS
	SIGNAL counter_5M : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)  := x"0000"; -- 50MHz/5MHz/2-1 = 4 (in hexadecimal 0x0004)

	SIGNAL CLK_25Mdiv_s : STD_LOGIC := '0'; -- 25MHz clock signal
	SIGNAL CLK_5M_s 	: STD_LOGIC := '0'; -- 5MHz clock signal

BEGIN
	------------------25MHz clock divider---------------------------
	clock_25Mdivider : PROCESS (RESET_N, CLK)
	BEGIN
		IF (RESET_N = '0') THEN
			CLK_25Mdiv_s <= '0';
		ELSIF rising_edge(CLK) THEN
			clk_25Mdiv_s <= NOT clk_25Mdiv_s;
		END IF;
	END PROCESS clock_25Mdivider;
	CLK_25M <= CLK_25Mdiv_s;


	------------------5MHz clock divider---------------------------
	clock_5Mdivider : PROCESS (RESET_N, CLK)
	BEGIN
		IF (RESET_N = '0') THEN
			counter_5M <= x"0000";
			CLK_5M_s <= '0';
		ELSIF rising_edge(CLK) THEN
			IF counter_5M = x"0004" THEN
				counter_5M <= x"0000";
				CLK_5M_s <= NOT CLK_5M_s; -- Toggle the 5MHz clock
			ELSE
				counter_5M <= counter_5M + '1';
			END IF;
		END IF;

	END PROCESS clock_5Mdivider;
	CLK_5M <= CLK_5M_s;

END architecture_Clock;

编写完成后，我们按Ctrl+S保存代码，然后回到Design Hierarchy，这里我们可以看到我们的工程结构，包括了我们创建的HDL文件和SmartDesign文件

我们点击Build Hierarchy，这样就可以让Libero SoC识别我们的HDL文件，并将其显示在树级结构中，这样我们就可以对其进行进一步的操作。

可以看到hdl文件已经成功显示在树级结构中

 

3、创建smartdesign

SmartDesign是Libero SoC的另一个核心功能，它可以让我们通过图形化的方式来设计我们的FPGA项目，我们可以在SmartDesign中添加各种block design，包括我们自己编写的HDL文件，也可以是Libero SoC提供的一些IP核，还可以是一些外部的库文件，然后通过拖动和连线的方式来实现我们的设计。

我们回到Design Flow，点击Create SmartDesign，然后给SmartDesign取一个名字，点击OK。

 

回到Design Hierarchy，并点击Build Hierarchy

双击打开SmartDesign，可以看到右边画布是空白的，因为此时没有添加任何block design，我们需要将我们的HDL文件添加到SmartDesign中，有两种方法：

先来检查一下我们的HDL文件有没有语法错误，我们右键我们的HDL文件，点击Check HDL File

这一步是为了检查语法错误

方法一：在打开SmartDesign的情况下，我们可以直接拖动我们的HDL文件到SmartDesign中
方法二：我们可以右键我们的HDL文件，点击Instantiate，然后选择我们要添加到的SmartDesign文件

可以看到clock模块已经出现在画布中

我们还需要将我们的SmartDesign设置为顶层文件，这样才能让Libero SoC知道我们的设计的入口在哪里，我们右击我们的SmartDesign，点击Set as Root，然后我们可以看到我们的SmartDesign的名字变成了粗体，表示它已经是顶层文件了。

我们还需要将我们的HDL文件的端口与外部的信号连接起来，比如我们的输入时钟信号和输出时钟信号，我们需要将它们放置到顶层，作为我们的IO引脚，这样才能与外部的晶振和IO口映射起来，我们选择想要放置到顶层的端口，右键，点击Promote to Top Level

放置到顶层以后，这些顶层io可以添加约束并与外部晶振和io映射

完成画布链接后，我们点击Generate Component，这样就可以让Libero SoC生成一个组件文件，用来保存我们的SmartDesign的信息，然后我们点击Build Hierarchy，这样就可以让Libero SoC更新我们的工程结构，这样我们就完成了SmartDesign的创建和配置。

方法一

方法二

如果我们的模块过多，连线很乱，我们可以使用自动布局的功能，让Libero SoC帮助我们优化我们的画布，我们点击Layout，然后选择Auto Layout，然后Libero SoC就会自动调整我们的模块的位置和大小

如果我们有多个HDL文件，我们还可以将它们之间的端口连接起来，形成一个完整的设计，我们可以通过鼠标拖动的方式来链接各个模块的IO来实现连接。

4、功能仿真（RTL行为仿真）、综合后门级功能仿真（前仿真）与时序仿真（后仿真）

4.1、仿真前的准备

烧录之前，我们需要对代码进行仿真。Libero SoC自带了三种仿真方式，它们都调用Multisim 2022。在安装Libero SoC时，Multisim会自动安装，并且证书与Libero SoC的证书对齐，因此无需额外激活操作

4.2、创建仿真

选择要仿真的SmartDesign，右键创建仿真。

为仿真命名并设置仿真周期。

在Stimulate Hierarchy中，点击Build Hierarchy即可看到刚刚创建的仿真文件。

右键激活仿真

4.3、编辑仿真内容

双击打开仿真文件，可以查看代码内容。这是自动生成的仿真文件，包含基本的初始化和时钟连线。软件会自动识别reset信号和clk信号并连线。

--------------------------------------------------------------------------------
-- Company: <Name>
--
-- File: radiumlrb_tb.vhd
-- File history:
--      <Revision number>: <Date>: <Comments>
--      <Revision number>: <Date>: <Comments>
--      <Revision number>: <Date>: <Comments>
--
-- Description: 
--
-- <Description here>
--
-- Targeted device: <Family::IGLOO2> <Die::M2GL005> <Package::484 FBGA>
-- Author: <Name>
--
--------------------------------------------------------------------------------
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;

ENTITY radiumlrb_tb IS
END radiumlrb_tb;

ARCHITECTURE behavioral OF radiumlrb_tb IS

    CONSTANT SYSCLK_PERIOD : TIME := 20 ns; -- 50MHZ

    SIGNAL SYSCLK : STD_LOGIC := '0';
    SIGNAL NSYSRESET : STD_LOGIC := '0';

    COMPONENT radiumlrb_test_root
        -- ports
        PORT (
            -- Inputs
            CLK : IN STD_LOGIC;
            RESET_N : IN STD_LOGIC;

            -- Outputs
            CLK_25M : OUT STD_LOGIC;
            CLK_5M : OUT STD_LOGIC

            -- Inouts

        );
    END COMPONENT;

BEGIN

    PROCESS
        VARIABLE vhdl_initial : BOOLEAN := TRUE;

    BEGIN
        IF (vhdl_initial) THEN
            -- Assert Reset
            NSYSRESET <= '0';
            WAIT FOR (SYSCLK_PERIOD * 10);

            NSYSRESET <= '1';
            WAIT;
        END IF;
    END PROCESS;

    -- Clock Driver
    SYSCLK <= NOT SYSCLK AFTER (SYSCLK_PERIOD / 2.0);

    -- Instantiate Unit Under Test:  radiumlrb_test_root
    radiumlrb_test_root_0 : radiumlrb_test_root
    -- port map
    PORT MAP(
        -- Inputs
        CLK => SYSCLK,
        RESET_N => NSYSRESET,

        -- Outputs
        CLK_25M => OPEN,
        CLK_5M => OPEN

        -- Inouts

    );

END behavioral;

4.3、开始仿真

回到Design Flow，可以看到三种仿真路径：前仿真、后仿真以及布线后仿真。

1. RTL行为仿真（功能仿真）：
   1. 前仿真用于检测逻辑。
   2. 在这个阶段，我们验证设计的功能是否按预期工作，检查逻辑错误、时序问题等。
   3. 这是一个快速的仿真，通常不涉及综合。
2. 综合后功能仿真（前仿真）：
   
   1. 在综合完成后，我们使用后仿真来验证综合后的设计。
   2. 这个仿真更接近实际硬件，可以检查时序、资源利用率等。
3. 时序仿真（后仿真）：
   1. 布线后仿真是在布线完成后进行的仿真。
   2. 布线后仿真考虑了实际布线的影响，如信号延迟、时钟抖动等。
   3. 这是最接近实际硬件的仿真，用于验证布线后的设计。

一般来说，后仿真和布线后仿真结果是一致的，所以在重复实验的时候，可以只执行前仿真和后仿真。

点击综合前仿真

在Multisim中，选择信号并添加到示波器中，全选（ctrl+a）之后ctrl+w可以添加到右侧的示波器中，在右侧按H（关闭中文输入法）可以不显示变量路径，方便阅读

先点击清空仿真，然后点击run -all，等待一两秒点击停止仿真

按f可以缩放波形图

可以看到分频已经完成

先综合然后再点击综合后仿真

仿真正确

5、引脚分配

选择Edit with IO Editor来使用图形界面

如果逻辑正确并且信号没有被综合舍弃的话，就会出现在下图，如果信号已经到了顶层但是没有在下图中出现，说明程序并没有有效的利用信号

分配管脚以后关闭窗口

勾选place and route

如果不是target的话要设置为target

至此管脚分配完成了

6、使用逻辑分析仪debug

右键synthesize，打开Synplify Pro

下图是Synplify Pro界面

啥都不用改，直接下一步

再打开刚刚创建的综合文件

下一步

首先配置内存

改这两个即可，这里深度不能设置的太大，否则可能内存不足

接下来选择观测时钟，首先选择模块，可以点击rtl展开然后选择子文件（点击右侧的.vhd文件即可），右击采样时钟，选择采样，好处是如果信号比较慢，可以用慢速时钟来延长时间以弥补少的可怜的采样深度

选择完时钟后左侧不再有警告，此时可以选择想要观察的对象，可以选择sample only或者sample and trigger

完成后ctrl+s保存，回到综合管理

点击run，一路ok

如果采样深度设置过大或者观测变量过多这里v_ram可能超过限制，省着点玩儿，完成以后直接关闭Synplify Pro

点击Identify Debug Design

添加完敏感信号，直接点击run，或者不添加也可以，会自动trigger

波形正确

至此，ila教学完成

7、一些注意事项

1. 有时候在工程创建的过程中，约束文件会突然丢失，导致信号没有在正确的管脚输出，这个时候不要慌，先点开约束文件看看，有时候约束文件会抽风导致引脚分配紊乱
2. microsemi的设备逻辑分析仪深度没办法设置的很高，一般最大256，不像xilinx可以设置65535，而且能容纳观测的变量也比较少，不知道是不是使用免费版license导致的
3. 某些情况下添加逻辑分析仪后会多几个约束io口，接下来仿真再也不能用了，如果要强行仿真可以把ila删除再仿真，需要debug的时候再添加（如果有更好的解决方法后面会补充）
4. 在异步reset_n中一定要把所有变量初始化，在定义变量时候赋初值似乎是无效的，如果后仿真信号出现无定义，大概率就是在resetn中没有初始化导致的。如果烧录以后每次上电程序都运行一段时间后停止，也有可能是因为某些变量没有初始化导致的。所以在添加新的变量的时候，一定要记得在reset_n中初始化
5. 工程路径中一定不要有特殊符号、空格、中文，笔者的路径有一个空格，工程、烧录都是正常的，但逻辑分析仪一直报错而且没有错误信息，后面思考是不是路径有问题