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从零开始玩转Vivado：一个四输入多数表决器的完整实现

你是不是也曾在看到别人用FPGA做出炫酷项目时心生向往，却不知道该从哪里下手？
是不是打开Vivado后一脸懵：工程怎么建？代码写在哪？仿真怎么做？下载到板子上为啥不亮？

别急。今天我们就手把手带你走完一次完整的FPGA开发流程——从无到有，在Xilinx Vivado中设计一个“四输入多数表决器”，完成仿真、综合、引脚约束、生成比特流，最后烧录到开发板上点亮LED。

整个过程不跳步、不省略，适合第一次接触Vivado的新手。你会发现：原来FPGA开发，并没有想象中那么难。

先搞清楚我们要做什么

我们做的不是一个花哨的项目，而是一个典型的组合逻辑电路：四输入多数表决器。

它的规则很简单：

当四个输入信号 A、B、C、D 中，至少有三个为高电平（1）时，输出 Y 就为 1；否则为 0。

这就像开会投票：4个人举手，超过半数（≥3人）同意，决议通过。

这种电路的特点是：
-没有记忆功能，输出只取决于当前输入；
-不需要时钟，纯靠门电路实现；
-响应极快，延迟在纳秒级；
-非常适合入门练习，逻辑清晰、验证方便。

我们将使用Verilog编写逻辑，用Vivado 自带仿真器 XSIM验证功能，再通过XDC 文件绑定引脚，最终生成.bit文件下载到 FPGA 开发板上进行实物验证。

目标开发平台是常见的Artix-7 系列 FPGA 板卡（如 Basys 3、Nexys A7 等），但本教程通用性强，稍作修改即可适配其他 Xilinx 7系列板子。

第一步：创建工程，选对芯片

打开 Vivado（建议使用 2020.1 或更新版本），点击Create Project。

接下来是一连串向导操作，我们一步步来：

1. Project Name：比如叫majority_voter
2. Project Location：选择你喜欢的路径
3. Project Type：选 “RTL Project”，不勾选“Do not specify sources at this time”
4. 添加源文件时，选择Add Sources → Create or add design sources
   - 点击“Create File”，类型选 Verilog，名字填majority_voter，添加进去

然后进入器件选择界面 (Default Part)：

如果你用的是Basys 3开发板，就选：

Family: Artix-7 Device: xc7a35tcpg236-1

如果不确定，查一下你的开发板手册，找到对应的 FPGA 型号填写即可。

点 Finish 完成工程创建。

第二步：写核心逻辑 —— Majority Voter 模块

现在你已经有了一个空的 Verilog 文件。把下面这段代码复制进去：

// majority_voter.v module majority_voter ( input A, input B, input C, input D, output Y ); // 只要任意三个输入为1，输出就为1 assign Y = (A & B & C) | (A & B & D) | (A & C & D) | (B & C & D); endmodule

就这么几行，就是我们的全部逻辑。

为什么这么写？

这个表达式是从真值表推导出来的：只有当 ABCD 中有 ≥3 个 1 时，Y 才为 1。

所有满足条件的情况列举出来：
- A=B=C=1 →A&B&C
- A=B=D=1 →A&B&D
- A=C=D=1 →A&C&D
- B=C=D=1 →B&C&D

然后把这些项“或”起来，就得到了最终结果。

虽然可以用更高级的方法化简（比如卡诺图），但对于小规模逻辑来说，这样写最直观、最容易理解，而且综合效果很好。

第三步：仿真验证 —— 别急着上板，先看波形对不对

很多新手一上来就想下载到板子上看现象，结果灯不亮就开始怀疑人生。其实问题可能早在设计阶段就存在了。

正确的做法是：先仿真，确认逻辑正确后再综合和下载。

写一个 Testbench 测试平台

右键点击工程 → Add Sources → Add or create simulation sources
新建一个 Verilog 文件，命名为tb_majority_voter

填入以下代码：

`timescale 1ns / 1ps module tb_majority_voter; reg A, B, C, D; wire Y; // 实例化被测模块 majority_voter uut ( .A(A), .B(B), .C(C), .D(D), .Y(Y) ); initial begin $monitor("Time=%0t | A=%b B=%b C=%b D=%b | Y=%b", $time, A, B, C, D, Y); // 枚举所有16种输入组合 A=0; B=0; C=0; D=0; #10; A=0; B=0; C=0; D=1; #10; A=0; B=0; C=1; D=0; #10; A=0; B=0; C=1; D=1; #10; A=0; B=1; C=0; D=0; #10; A=0; B=1; C=0; D=1; #10; A=0; B=1; C=1; D=0; #10; A=0; B=1; C=1; D=1; #10; // 应输出1 A=1; B=0; C=0; D=0; #10; A=1; B=0; C=0; D=1; #10; A=1; B=0; C=1; D=0; #10; A=1; B=0; C=1; D=1; #10; // 应输出1 A=1; B=1; C=0; D=0; #10; A=1; B=1; C=0; D=1; #10; // 应输出1 A=1; B=1; C=1; D=0; #10; // 应输出1 A=1; B=1; C=1; D=1; #10; // 应输出1 #10 $finish; end endmodule

关键点说明：
-$monitor会自动打印每一时刻的输入输出状态，便于日志检查；
- 每组输入保持 10ns，足够观察变化；
- 最终$finish结束仿真。

运行行为仿真

回到 Vivado 主界面，确保你在Simulation标签下。

右键点击tb_majority_voter.v→Set as Top

然后点击左侧Flow Navigator中的Run Simulation → Run Behavioral Simulation

Vivado 会自动启动 XSIM 仿真器，弹出波形窗口。

你会看到类似这样的画面：
- 四个输入信号 A~D 依次变化；
- 输出 Y 在第7、11、13、14、15、16个状态变为高电平 —— 正是我们期望的结果！

还可以在 TCL 控制台看到$monitor输出的日志信息，逐行核对也很方便。

✅仿真通过！说明我们的逻辑没问题，可以继续下一步了。

第四步：告诉 Vivado 这些信号接哪个引脚

FPGA 芯片有很多 IO 引脚，但我们必须明确告诉工具：A 接哪个物理管脚？Y 接哪个 LED？

这就需要XDC 约束文件。

创建 XDC 文件

右键工程 → Add Sources → Add or create constraints
新建一个约束文件，命名为project.xdc

填入如下内容（以 Basys 3 板为例）：

## 输入按键分配（假设使用开关模拟） set_property PACKAGE_PIN J15 [get_ports A] # Switch 0 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports A] set_property PACKAGE_PIN L16 [get_ports B] # Switch 1 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports B] set_property PACKAGE_PIN M13 [get_ports C] # Switch 2 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports C] set_property PACKAGE_PIN R15 [get_ports D] # Switch 3 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports D] ## 输出连接LED set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports Y] # LED 0 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports Y]

📌 注意事项：
- 引脚编号一定要根据你的开发板原理图来定；
-IOSTANDARD设置为 LVCMOS33 表示 3.3V CMOS 电平标准；
- 不同板子引脚不同，请务必查阅官方文档替换对应 PIN 名称。

保存后，这个文件会被自动加入工程。

第五步：综合 + 实现 —— 把代码变成硬件连接

现在我们有了逻辑描述，也有引脚约束，接下来让 Vivado 把这一切“翻译”成真正的硬件配置。

点击左侧Run Synthesis

等待几分钟（视电脑性能而定），综合完成后弹出对话框，点Run Implementation

Implementation 包括布局布线（Place & Route），它会决定这些逻辑单元放在芯片的哪个位置，怎么连线。

完成后点击Generate Bitstream，生成最终的.bit文件。

如果中间出现报错，常见原因包括：
- 引脚已被占用（比如某个 PIN 已用于时钟或其他功能）
- 拼写错误（端口名与约束不一致）

只要前面步骤都正确，这里通常不会有问题。

✅ 成功生成 bit 文件，意味着我们可以下载了！

第六步：下载到开发板，看真实世界反馈

把开发板通过 USB 线接到电脑，确保供电正常。

点击菜单中的Open Hardware Manager

点击Open Target → Auto Connect，然后选择你的设备（通常是xc7a35t）

双击设备名称，进入编程界面。

找到刚刚生成的.bit文件（一般在./majority_voter.runs/impl_1/目录下），选中并点击Program Device

几秒钟后，提示“Programming Succeeded”。

🎉 恭喜！你的设计已经运行在 FPGA 上了！

第七步：动手测试 —— 拨动开关，看灯亮不亮

现在你可以操作开发板上的拨码开关（或按键）来控制 A~D 输入。

按照我们的逻辑：
- 当任意三个开关拨到高电平（ON），对应的 LED 应该亮起；
- 少于三个时，LED 熄灭。

试试看吧！比如拨动 SW0~SW2（A/B/C）为 ON，SW3（D）为 OFF —— 灯应该亮！

💡 如果灯不亮，别慌，按下面顺序排查：
1. 检查电源是否正常；
2. 查看 XDC 文件中的引脚是否与实际板子一致；
3. 重新运行仿真，确认逻辑没错；
4. 检查下载器驱动是否安装（推荐使用 Digilent Adept 或最新版驱动）；
5. 更换 USB 线或接口试试。

关于资源占用的小知识

这样一个简单的组合逻辑，到底占了多少 FPGA 资源？

在综合报告里可以看到：

因为这是纯组合逻辑，不需要寄存器（FF），所以只用了1 个 LUT6（查找表）来实现整个函数。

也就是说，哪怕是最小的 Artix-7 芯片，也能放下成百上千个这样的模块。

这也体现了 FPGA 的优势：高度并行、资源丰富、灵活复用。

这个案例能教会你什么？

别小看这个“简单”的项目，它实际上覆盖了FPGA 开发全流程的关键环节：

更重要的是，你完成了从理论到实践的闭环验证：
写了代码 → 看了波形 → 改了参数 → 烧上了板 → 看到了结果。

这才是真正意义上的“学会”。

后续可以怎么玩？

当你掌握了这套基本流程，就可以开始尝试更有意思的事情了：

✅ 加个时钟，升级成时序逻辑

比如做一个带计数功能的表决系统：每秒采样一次输入，统计过去10秒内有多少次表决通过。

这就需要用到always @(posedge clk)和寄存器了。

✅ 调用 IP 核

在 Vivado 的 IP Catalog 里搜索 “Clocking Wizard”，生成一个 50MHz 分频到 1Hz 的时钟，用来驱动 LED 闪烁节奏。

✅ 扩展成 8 输入表决器

试着写出八选五的逻辑表达式，看看综合后用了多少 LUT？

✅ 接入 AXI 总线（Zynq 用户）

如果你用的是 Zynq-7000 系列（如 Zybo Z7），可以把这个模块封装成 AXI Slave，让 ARM 处理器读取表决结果。

写在最后

很多人觉得 FPGA 很难入门，其实是被复杂的术语和庞大的工具链吓住了。

但只要你愿意动手，从一个最简单的组合逻辑做起，一步一步走过仿真、约束、综合、下载全过程，你会发现：

原来，掌控硬件的感觉，就这么开始了。

掌握 Vivado 不是为了记住菜单在哪，而是建立起一种工程化的思维方式：
设计 → 验证 → 实现 → 测试 → 迭代优化。

而这，正是数字系统工程师的核心能力。

所以，别等了。关掉这篇文章，打开 Vivado，新建一个工程，敲下第一行module吧。

你的第一个 FPGA 项目，就从此刻开始。

如果你在实现过程中遇到了问题，欢迎留言交流，我们一起解决。