FPGA验证流程（远程实验版）
在线代码编辑与云编译
前面的环节应已经完成电路设计，并且用Quartus软件编译生成了电路文件，则可以跳过这一步，直接进入实验验证流程。 如果尚未完成代码编辑与编译，这里介绍远程实验平台提供的在线代码编辑和云端编译器。
从实验界面工具条上的任务列表中选择“代码与编译”，会自动打开在线代码编辑器，其中已经定义了一个VirtualBoard模块，可以看到该模块只有端口声明，如例 1所示。
`default_nettype none
module VirtualBoard (
input wire CLOCK, // 10 MHz Input Clock
input wire [19:0] PB, // 20 Push Buttons, logical 1 when pressed
input wire [35:0] S, // 36 Switches
output logic [35:0] L, // 36 LEDs, drive logical 1 to light up
output logic [7:0] SD7, // 8 common anode Seven-segment Display
output logic [7:0] SD6,
output logic [7:0] SD5,
output logic [7:0] SD4,
output logic [7:0] SD3,
output logic [7:0] SD2,
output logic [7:0] SD1,
output logic [7:0] SD0
);
endmodule例 1的VHDL版本（点击此行展开）
如果希望用VHDL，可以用下面VHDL版本的虚拟实验板模块覆盖在线代码编辑器中的代码。
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;
ENTITY VirtualBoard IS
PORT (
CLOCK:in std_logic; -- 10MHz Input Clock
PB: in std_logic_vector(19 downto 0); -- 20 Push buttons, logical 1 when pressed
S: in std_logic_vector(35 downto 0); -- 36 Switches
L: out std_logic_vector(35 downto 0); -- 36 LEDs, drive logical 1 to light up
SD7:out std_logic_vector(7 downto 0); -- 8 common anode Seven-segment Display
SD6:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD5:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD4:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD3:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD2:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD1:out std_logic_vector(7 downto 0);
SD0:out std_logic_vector(7 downto 0));
END VirtualBoard;
ARCHITECTURE behav_VB OF VirtualBoard IS
BEGIN
END behav_VB;这个VirtualBoard模块可以想象成一个实验板，有1个时钟输入CLOCK， 20个按键PB0～PB19，36个拨动开关S0～S35，36个指示灯L0～L35，8个七段数码管SD0～SD7。该模块命名为“VirtualBoard”的含义是“虚拟实验板”，在后面验证时我们会看到，“虚拟实验板”模块与实验调试软件的“虚拟面板”是相互对应的。
下面为VirtualBoard模块添加设计代码，如例 2所示。语句①用8个拨动开关S7～S0直接驱动七段数码管SD0的8个段；语句②需要自己编写，用S11～S8控制L11～L8的亮灭；语句③用按键PB0驱动指示灯L18。将例 2的代码添加到例 1的 endmodule 之前。
//开关7~0直接驱动数码管SD0的各个段
assign SD0 = S[7:0]; (1)
//开关11~8驱动指示灯L11~8的亮灭
(2)
//按键PB0驱动指示灯L18
assign L[18] = PB[0]; (3)例 2的VHDL版本（点击此行展开）
--开关7~0直接驱动数码管SD0的各个段 SD0 <= S(7 downto 0); (1) --开关11~8驱动指示灯L11~8的亮灭 (2) --按键PB0驱动指示灯L18 L(18) <= PB(0); (3)
点击“编译”按钮，云端服务器将对编辑器中的代码进行远程编译。
实验验证流程
选择验证任务
选择任务列表中的“虚拟实验板”，打开虚拟面板界面，如图 2，这个虚拟面板以实验板的实物照片为背景，在开关、指示灯等输入输出元件位置上放置了虚拟元件。
| 实验材料中提供的虚拟实验板.jvp与图 2虚拟面板相同，用于本地实验软件；远程实验平台自动从后台加载虚拟面板，无需手动打开。当然，远程实验平台与本地实验软件的虚拟面板文件可互换，所以也可通过工具条上的“打开”按钮加载该文件。 |
加载FPGA电路
开始验证之前首先要将编译生成的FPGA电路文件加载到FPGA芯片中（也称配置、编程）。点击“FPGA编程”，在打开的文件对话框中选择云编译生成的xxx.rbf文件；如果是之前“FPGA 设计流程”实验中本地Quartus编译的，这里选择“本地上传”。编程过程中会出现进度指示，完成后会有提示“文件加载完成”。
认识虚拟元件
将鼠标指针指向某个虚拟元件，会提示该元件的名称和当前状态，这些虚拟元件的名称与VirtualBoard模块的端口名称相对应，见例 1端口名称的注释。下面通过操作虚拟面板了解虚拟元件的特性。
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虚拟拨动开关
初始状态开关的颜色是灰色的，用鼠标指向最右边的开关，提示“S0：低电平”，表明该开关的状态是低电平；点击开关，开关的颜色变为蓝色，提示“S0：高电平”。
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虚拟LED指示灯
点击虚拟开关S8，使其产生高电平，指示灯L8应点亮。同样地，S9～S11为高电平时，指示灯L9～L11应点亮。如果与预期不同，检查例 2语句②是否正确。
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虚拟数码管
根据例 2语句①，S0～S7驱动数码管SD0。点击虚拟开关S0～S7，虚拟面板中最右边的数码管SD0显示内容应有变化。可以看出，点亮电平与指示灯不同，数码管是低电平点亮的。观察S0～S7与数码管字段的对应关系，可知S0～S7对应段a～段h。
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虚拟按键
根据例 2语句③，按键PB0驱动指示灯L18。但是点击PB0，L18却没有任何反应；延长按下的时间，仍然没有反应。根据代码中PB端口的注释，按键按下时输出“1”，为什么L18没有点亮呢？这是因为远程实验软件做了一个特殊处理，按键按下时前端浏览器并没有向后端发消息，当按键松开时才向后端服务器发送“按键动作”的消息；后端服务器收到这个消息后，先使PB0为1，随即使PB0为0，也就是按键按下又松开的动作；之后再采集指示灯的状态返回给前端，此时指示灯已经回到“0”的状态，所以浏览器界面看不出任何变化。在后面的实验中，按键的主要用途是产生一个正脉冲。如果需要产生稳定的电平，应使用拨动开关。这一点和本地实验系统不同，在本地实验中，按下PB0不松开，能看到L18点亮，松开后L18熄灭。这是因为本地实验系统通过USB连接实验板，实验软件能够将鼠标点击的按下、松开两个动作实时地传递给实验板。
设计虚拟面板
下面从头设计一个全新的虚拟面板。在任务列表中选择“设计虚拟面板并记录验证”，出现一个空白的虚拟面板，如图 3，可以自己添加背景图形和元件。
绘制面板背景图
背景图展示虚拟元件之间的连接关系，有助于实验过程中分析实验结果。可使用自己熟悉的绘图软件绘制背景图，这里推荐开源软件diagrams.net（又名draw.io）。diagrams.net有Web版和桌面版， 可从https://www.diagrams.net进入Web版或下载桌面版。
绘制完成的效果如图 4。
如果暂时不打算自己绘图，实验材料中提供了已绘制完成的文件“虚拟面板背景图.drawio”，只需导出为图像格式即可。 点击菜单“文件 ➤ 导出为 ➤ 高级…”，格式选择PNG，DPI设置为150，如图 5。
实验材料中也提供了一个导出的“虚拟面板背景图.png”文件，可直接使用。
添加背景图
在空白虚拟面板左边的虚拟元件工具栏中点击最上边的图片按钮，选择图片文件作为虚拟面板背景图。实验平台默认以图片尺寸作为虚拟面板的初始大小。
| 背景图的文件大小不宜过大，否则会影响虚拟面板的加载速度，超过1MB实验平台无法加载。 |
添加虚拟元件
现在我们给虚拟面板添加虚拟元件。以虚拟开关为例，从左边栏用鼠标左键点击并拖动开关图标
，将开关图标拖到背景图上所希望的位置，然后松开鼠标左键将开关图标放置在虚拟面板上，此时右边栏显示了该开关的属性，第1个开关元件的序号是S0。放置元件时元件的序号是自动分配的，可以在右边属性栏的“序号”中手动进行修改。虚拟元件的名称和序号代表了设计代码中VirtualBoard模块的端口信号，如虚拟元件S0就是设计代码中的端口S[0]。
用类似的方法添加需要的开关、数码管和指示灯。如果元件的排列不是很整齐，可以在选中元件后用键盘上的↑、↓、←、→键进行移动，也可以在右边属性栏的“位置”属性中输入精确的坐标值。元件的大小也可以通过右边属性栏修改，例如将指示灯的大小设置为20×20。除基本的位置、大小属性外，还可以通过属性设置开关的方向和指示灯的颜色。最终完成虚拟面板效果如图 6，其中段的名称“a, b, c…”使用了文本框元件（左边栏的图标“T”），该元件和电路没有关联，只是用于虚拟面板的标注。
实验考核
实验平台支持两种考核方式：验证记录和电路测试。
记录验证过程
如果该实验任务有考核要求，虚拟面板界面上会出现用于记录验证过程的悬浮窗口，如图 7。如果不要求记录验证过程，悬浮窗中不出现“记录”按钮，或者不出现悬浮窗。（注：提交日期截止后，悬浮窗也不会出现。）
该功能可以理解为线下实验的教师现场检查场景，通过验证记录可以反映实验者对电路功能的理解，直观展示实验结果；教师通过回放功能评阅学生的验证记录。
本实验要求理解数码管的驱动原理，推断数码管是共阳极还是共阴极，找出数码管段编码与字形的对应关系。根据开关拨向0点亮还是拨向1点亮的实验现象，可以得出数码管是共阴极还是共阳极的结论；通过改变开关状态可以使数码管显示0～F十六个数字，找出所显示数字的七段编码并记录下来，在以后的七段译码器实验中将会用到这些编码。
记录窗口还提供了文字输入功能，用于分析实验现象、得出结论。是否要求输入文字描述由指导教师根据每个实验的特点决定。
特别提醒，每按下一次 记录 按钮，仅产生一条记录，后续的操作并不会自动地记录。也就是说，每一个需要回放的步骤都应该按下一次 记录 按钮。如果要对当前实验电路现象输入文字分析，也要在按下 记录 按钮之前输入。
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重新记录 按钮按下后，会清空前面输入的所有记录，系统给出“记录已清空”的提示。 提交 按钮按下后，提交所有记录，实验板收回，系统提示“提交成功”和“本次实验已结束”。如果之后再次记录并提交，将覆盖之前提交的验证记录，并非追加在上次提交的记录后面。
验证记录提交以后，任务列表上会出现回放按钮
，点击回放按钮可以观看自己的记录，确认操作没有遗漏。教师评分之后，才可以在回放界面右上角看到验证记录的成绩，如图 8。
| 提交后任务列表上该任务会显示“无需考核”，是指该任务不包含“电路测试”的考核，并非不考核验证记录。 |
小结
通过这个实验主要熟悉了开关、按键、指示灯、数码管等虚拟元件的特性，也初步了解了远程实验平台的使用，还有很多细节功能需要读者自己探索，也可观看由前端开发同学余乐韬制作的WeLab远程FPGA实验平台介绍视频，由于制作的时间较早，没有反映后来开发的考核等功能。
有关CPU实验的界面和使用，将在本书后面的CPU部分介绍。