Verlog-流水灯-FPGA

Verlog-流水灯-FPGA

引言：

​ 随着电子技术的飞速发展，现场可编程门阵列（FPGA）已成为电子设计自动化（EDA）领域中不可或缺的组件。FPGA以其高度的灵活性和可定制性，广泛应用于通信、图像处理、工业控制等多个领域。为了更好地理解和掌握FPGA的设计和应用，本实验将通过一个简单而经典的项目——流水灯设计——来引入Verilog硬件描述语言的使用。

希望你在本次学习过后，能够有一定的收获！！！

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一、任务介绍

1. 熟悉FPGA的开发流程
2. 练习并且巩固有关于verilog代码的相关内容
3. 使用Verilog语言编写程序实现FPGA的流水灯效果

二、知识基础

1、FPGA知识

FPGA概述： 现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称FPGA）是一种集成了大量可配置逻辑块（CLBs）的半导体设备。这些逻辑块可以通过加载不同的配置文件（通常称为位流文件）来重新定义其功能，从而实现不同的数字电路设计。FPGA的这种可重构特性使其在快速原型开发、复杂数字系统设计和验证等领域非常受欢迎。

FPGA特点：

1. 灵活性： FPGA的设计可以随时更改，这使得它们非常适合于原型设计和快速迭代开发。
2. 并行性： 由于FPGA内部的逻辑块可以独立编程和并行运行，因此它们可以同时执行多个操作。
3. 低功耗： FPGA通常比专用集成电路（ASIC）更加节能。
4. 成本效益： 对于小批量生产或需要定制化功能的产品，FPGA提供了一种成本效益高的解决方案。

FPGA设计流程：

1. 概念设计： 确定项目需求和FPGA将执行的功能。
2. 逻辑设计： 使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）编写代码，描述所需的逻辑功能。
3. 仿真测试： 在计算机上模拟设计的逻辑，确保其按预期工作。
4. 综合： 将HDL代码转换成FPGA可以理解的门级表示。
5. 布局与布线： 将逻辑映射到FPGA的具体物理位置，并连接各个逻辑块。
6. 位流生成： 生成配置文件，用于初始化FPGA。
7. 下载与测试： 将位流文件下载到FPGA上，并进行实际测试。

FPGA在电子设计中的应用：

• 通信系统： FPGA被用于实现复杂的通信协议和信号处理。
• 视频处理： 在视频监控、图像压缩和显示技术中，FPGA能够处理高速数据流。
• 工业控制： FPGA用于实现定制化的控制算法和接口。
• 医疗设备： 在医疗成像和诊断设备中，FPGA可以提供必要的处理能力。
• 航空航天： 在航空航天领域，FPGA用于导航、遥感和飞行控制系统。

通过掌握FPGA的基础知识，将能够更好地理解流水灯实验的硬件背景，并为后续的实验步骤打下坚实的基础。

2、Verilog知识

Verilog概述： Verilog是一种用于电子系统设计的硬件描述语言（HDL），它允许设计师以文本形式描述复杂的数字逻辑。Verilog语言由Gateway Design Automation公司于1983年开发，并于1989年成为IEEE标准（IEEE 1364-1989），随后经过多次修订，以适应不断变化的设计需求。

Verilog特点：

1. 结构化设计： Verilog支持模块化和层次化的设计方法，使得大型设计可以被分解为更小、更易于管理的部分。
2. 并发性： Verilog使用并发语句来描述系统中同时发生的事件，这与数字电路的工作原理相吻合。
3. 可读性： Verilog的语法类似于C语言，使得有编程背景的工程师更容易上手。
4. 仿真能力： Verilog提供了强大的仿真工具，可以在实际硬件实现之前对设计进行测试和验证。

Verilog语言基础：

• 模块（Module）： Verilog设计的基本单位，每个模块可以包含输入、输出和内部逻辑。
• 数据类型： 包括线网（wire）、寄存器（reg）、参数（parameter）等，用于定义信号和存储数据。
• 操作符： 提供了位操作符、算术操作符、逻辑操作符等，用于构建逻辑表达式。
• 控制流： 使用if-else、case、for、while等语句来描述条件和循环逻辑。

Verilog在FPGA设计中的应用：

1. 行为描述： 用于描述模块的功能，不涉及具体的逻辑门或电路实现。
2. 数据流描述： 侧重于信号之间的数学关系，常用于描述组合逻辑。
3. 结构描述： 描述电路的物理实现，包括逻辑门、触发器等的连接方式。

Verilog设计流程：

1. 需求分析： 明确设计目标和性能要求。
2. 设计编写： 使用Verilog语言编写模块的代码。
3. 功能仿真： 对设计进行仿真，验证其逻辑功能是否正确。
4. 综合： 将Verilog代码转换成适用于FPGA的门级描述。
5. 时序仿真： 检查设计的时序特性，确保满足FPGA的时钟要求。
6. 布局布线： 在FPGA上安排逻辑和互连，优化性能和面积。
7. 下载测试： 将设计下载到FPGA开发板上，进行实际测试和验证。

三、实验内容

1、实验代码

module led (
    input  clk,
    input  rst_n,
    output reg[7:0] led
);
	
    parameter  TIME_1s = 25_000_000;

    reg    [30-1:0]    cnt_1s     ; 
    wire   add_cnt_1s ,  end_cnt_1s ; 
    always @(posedge clk or negedge rst_n) 
        if (!rst_n)
            cnt_1s  <= 30'b0;
        else if (add_cnt_1s )
            if (end_cnt_1s )
                cnt_1s <=30'b0;
            else 
                cnt_1s  <= cnt_1s  +1'd1;
        else 
            cnt_1s  <= cnt_1s ;
    assign add_cnt_1s  = 1'b1;
    assign end_cnt_1s  = add_cnt_1s  && (TIME_1s-1 == cnt_1s );

    always @(posedge clk or negedge rst_n)
        if(!rst_n)
            led <= 8'b0000_0001;
        else if(end_cnt_1s)
            led <= {led[6:0],led[7]};
        else
            led <= led;
    
endmodule
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2、实验原理

设计目标： 本实验的目标是创建一个简单的流水灯效果，即通过FPGA控制一组LED灯依次点亮，从而产生动态的视觉效果。

设计思路：

1. 时钟信号（clk）： 提供整个设计的脉冲源，所有的逻辑变化都依赖于时钟信号的上升沿。
2. 复位信号（rst_n）： 用于初始化和同步系统状态，当复位信号为低时，系统将重置到初始状态。
3. LED输出（led）： 表示8个LED灯的状态，每一位对应一个LED灯，1表示点亮，0表示熄灭。

核心逻辑：

1. 1秒计数器： 使用一个30位的寄存器cnt_1s来实现1秒的计数。由于FPGA的时钟频率通常远高于1秒的倒数，因此需要通过计数来实现1秒的延迟。
2. 计数控制信号： add_cnt_1s和end_cnt_1s是控制cnt_1s寄存器的关键信号。add_cnt_1s始终为1，表示始终在时钟上升沿增加计数；end_cnt_1s在计数达到TIME_1s - 1时为1，表示1秒时间已到。

实现步骤：

1. 初始化： 当复位信号rst_n为低时，cnt_1s寄存器清零，所有LED灯熄灭。
2. 计数： 在每个时钟上升沿，如果复位信号为高，则cnt_1s寄存器增加1。
3. 1秒判断： 当cnt_1s寄存器的值在时钟上升沿达到TIME_1s - 1时，表示1秒时间已到，此时end_cnt_1s为1。
4. LED状态更新： 每当1秒时间到，将最左边的LED状态（led[7]）移动到最右边（led[0]），其余LED状态向左移动一位，从而实现流水灯效果。

代码解析：

• 使用always块来描述在时钟上升沿或复位信号下降沿时的行为。
• if (!rst_n)判断复位信号，如果是复位状态，则重置cnt_1s和led。
• if (add_cnt_1s)和if (end_cnt_1s)用于控制计数器和LED状态的更新。
• assign语句用于生成控制信号，add_cnt_1s直接赋值为1，而end_cnt_1s在计数达到预设的1秒时间时为1。

通过上述原理和实现步骤，可以清晰地理解流水灯FPGA设计的核心逻辑和工作流程。

3、实验器材

4、引脚配置图

四、实验效果

五、总结

实验目的回顾： 本次实验的核心目的在于通过实践操作，熟悉FPGA的开发流程，并通过编写Verilog代码来实现FPGA的流水灯效果，以此来练习和巩固Verilog编程的相关知识。

实验过程概述：

1. 理论学习： 首先需要了解FPGA的基本概念、特点以及设计流程，同时掌握Verilog语言的基础语法和编程技巧。
2. 环境搭建： 配置FPGA开发环境，包括安装相应的软件工具和硬件设备。
3. 设计实现： 根据实验原理，使用Verilog语言编写流水灯模块的代码，并在开发环境中进行功能仿真。
4. 硬件测试： 将编译后的位流文件下载到FPGA开发板上，进行实际的硬件测试，观察LED灯的流水效果。

实验关键点：

• 时钟和复位信号的处理： 理解时钟信号在数字设计中的重要性，以及如何使用复位信号来初始化和同步系统状态。
• 计数器的设计： 学习如何利用计数器产生定时信号，以实现LED灯的顺序点亮。
• 状态寄存器的更新： 掌握如何在Verilog中通过状态寄存器来控制LED灯的状态变化，实现流水灯效果。

实验成果： 通过本次实验，应能够：

• 熟练掌握FPGA的设计流程和开发环境的搭建。
• 深入理解Verilog语言的编程方法，包括模块定义、数据类型、操作符和控制流语句。
• 学会使用Verilog进行基本的数字逻辑设计，如计数器和移位寄存器。
• 能够独立完成从设计、仿真到硬件测试的整个FPGA设计过程。

实验成果： 通过本次实验，应能够：

• 熟练掌握FPGA的设计流程和开发环境的搭建。
• 深入理解Verilog语言的编程方法，包括模块定义、数据类型、操作符和控制流语句。
• 学会使用Verilog进行基本的数字逻辑设计，如计数器和移位寄存器。
• 能够独立完成从设计、仿真到硬件测试的整个FPGA设计过程。

未来展望： 流水灯实验是FPGA设计的一个基础入门项目。未来，可以在此基础上探索更复杂的设计，如加入传感器输入、实现更复杂的逻辑控制、或者设计具有特定功能的数字系统。