跟着逻辑先生学习FPGA-实战篇第二课 6-2 LED灯流水灯实验

** 硬件平台：征战Pro开发板
软件平台：Vivado2018.3
仿真软件：Modelsim10.6d
文本编译器：Notepad++**

征战Pro开发板资料
链接:https://pan.baidu.com/s/1AIcnaGBpNLgFT8GG1yC-cA?pwd=x3u8
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1 知识背景

我们在《LED 灯闪烁实验》中对 LED 灯作了详细的介绍，如果大家对这部分内容不是很熟悉的话，请参考《LED 灯闪烁实验》中的简介部分。

2 实验任务

流水灯是指同一时刻只有一个灯处于点亮状态，其余的 LED 灯处于熄灭状态，然后每隔一段时间 LED 灯从左往右依次点亮，从而形成流水灯的效果。实验我们将实现 8 个 LED 灯依次点亮，每 100ms 点亮 1 个灯。

3 硬件设计

3.1 原理图分析

八个 LED 灯均连接到了 FPGA 的 IO。当 FPGA 输出 LED0~LED7 为高电平时，发光二极管的正负极有电压差，便会产生电流流过发光二极管，从而点亮 LED 灯；当 FPGA 输出 LED0~LED7 为低电平时，发光二极管正负级没有电压差，也不会产生电流，LED 灯熄灭。
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图6-2- 1 发光二极管原理图

3.2 管脚映射表

表6-2- 1 管脚映射表
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同学们可能会好奇，为什么原理图中的网络名不和程序中的信号名一致呢？这是因为一般有两个原因：
1. 在公司里面，设计硬件的工程师和设计软件的工程师并不是同一个人，每个人的命名习惯不同，所以就会命名不一样的情况。
2. 硬件上的器件功能和软件上的功能并不一样。比如我们的按键 SW1 ，在硬件上它就是一个按键，但是在软件设计中，我们可以认为它是复位管脚，也可以认为它是控制管脚，所以原理图中的网络名和程序中的信号名没办法统一。
这种情况是很常见的，只要同学们掌握了原理，这个命名随便怎么变我们都知道如何去约束 FPGA 管脚。

3.3 编写 XDC 约束文件

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4 程序设计

4.1 模块框图

八个灯流水的间隔时间为 100ms，间隔时间的控制需要通过计数器来实现，即通过计数器来实现计时的功能，因此本次实验需要用到系统时钟；除此之外，系统复位在 FPGA 系统中也是必不可少的，当程序出现跑飞等异常情况时，可以使程序恢复至默认状态；由以上分析可知，本次实验需要两个输入的端口，分别为系统时钟和系统复位，输出为 8 位的 LED 端口，模块框图如下图所示：
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图6-2- 2模块框图与端口

4.2 设计思路

在硬件设计部分中我们介绍过，当 IO 输出高电平 1 时，点亮 LED 灯；当 IO 输出低电平 0 时， LED灯熄灭，因此要想控制 LED3 到 LED10 实现流水灯效果，第一次的时候给 led 端口赋值为 8’b00000001；等待 0.1s 后，给 led 端口赋值为 8’b00000010；等待 0.1s 后，给 led 端口赋值为 8’b00000100；等待 0.1s，给 led 端口赋值为 8’b00001000；再次等待 0.1s 后，给 led 端口赋值为 8’b00010000，后面依次类推，八个 LED 即可实现流水的效果。
LED 灯流水的间隔为 0.1s，因此接下来还需要做一个 0.1s 的延时，延时的功能可以通过计数器实现，每当计数器计时到 0.1s 后，切换一次 LED 灯的显示状态即可。当计时完成后，开始控制 LED 灯的状态。
LED 共八种状态：
8’b00000001：对应 LED3 点亮，其它熄灭；
8’b00000010：对应 LED4 点亮，其它熄灭；
8’b00000100：对应 LED5 点亮，其它熄灭；
8’b00001000：对应 LED6 点亮，其它熄灭；
8’b00010000：对应 LED7 点亮，其它熄灭；
8’b00100000：对应 LED8 点亮，其它熄灭；
8’b01000000：对应 LED9 点亮，其它熄灭；
8’b10000000：对应 LED10 点亮，其它熄灭；
从上面我们得知，总共8个状态，那不用状态机来实现，岂不是对不起这 8 种状态。
由此绘制出 led_flow 模块的波形图如下图所示：

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图6-2- 3 led_flow模块波形图

系统时钟 clk 的时钟周期为 20ns（对应开发板板载的晶振频率为 50Mhz），计数器计时 0.1s 需要0.1s/20ns = 100000000ns/20ns = 5000000 个时钟周期，由于计数器是从 0 开始计数，所以计数器最大计数到 25000000-1。

4.3 代码编写

限于篇幅，仅贴出部份代码（详见 Source 文件夹下led_flow.v文件）
定义模块端口，代码如下所示：

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代码中使用了状态机，定义了九种状态，如下所示：

通过判断计数器cnt计数值到达最大值进行状态跳转，依次为：IDLE–>S0–>S1–>S2–>S3–>S4–>S5–>S6–>S7–>S0–>S1…，代码如下所示：

当状态机设计好以后，就可以根据不同状态给 led 端口赋值，代码如下所示：
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5 仿真验证

对 RTL 代码进行仿真之前，我们首先需要编写实验对应的仿真文件（TestBench）。 TestBench 是用于验证功能模块的设计是否符合预期，其内容主要分为以下三个步骤：
1、向被测功能模块的输入接口添加激励
2、对被测功能模块的顶层接口进行信号例化
3、判断被测功能模块的输出是否满足设计预期

5.1 led流水灯模块（led_flow）仿真验证

5.1.1 仿真激励代码编写

流水灯模块的输入端口为系统时钟 clk 和系统复位 rst_n，输出端口为 led。 clk 对应开发板所板载的 50MHz 的晶振，周期为 20ns，所以 TB 模块产生 clk 时，可以控制该信号每隔 10ns 翻转一次。而系统复位信号对应输入的复位按键，按键在未按下时为高电平，按下后为低电平，所以 TB 模块可以将 rst_n 初始状态赋值为 0，使程序处于复位状态，在延时一段时间后拉高 rst_n 来结束复位。在正常运行之前，先使程序处于一段时间的复位状态，是为了给流水灯模块里的相关信号赋初始值。
TB 模块产生的系统时钟和复位信号通过例化被测模块，将信号传递至被测模块中。
由于在上一章我们已经把仿真脚本写好了，这一章我们只用将 Sim 这个文件夹拷贝到我们当前课程文件夹中，文件结构如下所示：

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图6-2- 4 工程结构

打开Sim文件夹，将“tb_led_shark.v”文件改为“tb_led_flow.v”，然后使用“Notepad++”工具打开“tb_led_flow.v”文件，就可以开始编写仿真代码了。
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程序中第一行代码定义的仿真单位和仿真精度都是 1ns，对应程序中第 15 行代码表示延时 200ns。程序中第 20 行代码用于产生系统时钟， clk 每隔 10ns 翻转一次，一个完整的时钟周期包含一个高电平和一个低电平，因此系统时钟为 20ns，对应系统时钟频率为 50MHz。
需要注意的是，由于流水灯模块定义的流水间隔较长，为 0.1s，虽然 0.1s 从时间上来说比较短暂，但是对于仿真来说，仿真 0.1s 需要的时间较长。尤其是对于复杂的程序来说，有时候仿真几十毫秒，就需要好几个小时，因此为了降低仿真的等待时间和提升效率，一般需要对程序中延时较长的参数在仿真代码中进行重定义，如仿真代码第 23 行将led_flow 模块中的TIME_0S1进行重新定义赋值。

5.1.2 批处理仿真

仿真代码编写好，就可以使用批处理仿真了，在该章节我们可以不用再更改 modelsim.bat 文件。sim.do 文件也仅仅只用修改一处地方，如下图所示：

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此处改为我们当前的仿真代码模块名：tb_led_flow，改好以后，保存。
双击modelsim.bat，我们就不管了，先喝茶，等软件自已跑（具体步骤参考前一章节），细心的读者会发现，modelsim界面报错了，如下图所示：
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图6-2- 5 Modelsim报错信息