《FPGA至简设计原理与应用》学习笔记——4位闪烁灯设计

明德扬吴老师

《FPGA至简设计原理与应用》学习笔记——4位闪烁灯设计

作者：一条咸鱼

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个人感想：本文首先分析了至简设计法案例—4位闪烁灯，然后通过该案例举一反三，实现了一个交通灯的功能。通过修改最重要的2个计数器cnt0、cnt1的代码，并且仅修改了1个数字和信号变化条件，就实现了交通灯案例。案例代码的模块化与规范化为代码的移植与修改提供了很大的便利，节省了大量的时间。

设计目标：使用4个LED灯---LED1~LED4，实现一个呼吸灯的功能。这4个灯具体的变化情况为：第一个灯隔1秒，亮1秒后变暗；然后第2个灯隔1秒，亮2秒后变暗；然后第3个灯隔1秒，亮3秒后变暗；最后第4个灯隔1秒，亮4秒后变暗。之后循环往复。

信号设计：对于LED0，复位后，先灭1秒，亮1秒，然后再灭12秒；对于LED1，复位后，先灭3秒，亮2秒，然后再灭9秒，循环往复；对于LED2，复位后，先灭6秒，亮3秒，然后再灭5秒，循环往复；对于LED3，先灭10秒，亮4秒，循环往复。（注：设计目标中的LED1~LED4指的是开发板上的4个LED灯，信号设计中的LED0~LED3指的是设计输出的4个信号。）

波形图：

工程实现思想：本工程需要2个计数器，一个cnt0用于计算1秒钟，一个cnt1用于计算一个周期14秒钟。计数器的设计与本书的第1个案例的计数器设计相同，这里不再赘述。输出信号LED0，LED1，LED2，LED3根据2个计数器计数的状态来判定是变0还是变1。这里以led0为例，led0有两种变化点：变0和变1。变0的原因都是计数到1秒的时间，也就是add_cnt1&&cnt1==1-1时，led0变0.变1的原因，则是数到2秒时间时，即add_cnt1&&cnt1==2-1时，led0变1。其余信号变换以此类推。

案例扩展：还可以对本案例进行扩展，例如交通灯。假设一个十字路口的交通灯，分为东西南北四个方向。每个方向红灯持续10秒，绿灯持续7秒，黄灯持续3秒。这里便可套用本案例的思想与框架。每个方向的红、绿、黄的三个灯的变化可以看作一组3位闪烁灯的变化。

交通灯波形图：

注：南北方向的信号相同，东西方向的信号相同。这里设南北方向的红绿灯信号为red_led0、yellow_led0、green_led0；东西方向的红绿灯信号为red_led1、yellow_led1、green_led1。

案例扩展代码：

module jiaotongled(

clk,

rst_n,

        red_led0,

        yellow_led0,

        green_led0,

        red_led1,

        yellow_led1,

        green_led1

);

input   clk;

input   rst_n;

output  red_led0;

output  yellow_led0;

output  green_led0;

output  red_led1;

output  yellow_led1;

output  green_led1;

reg[28:0]  cnt0;

reg[4:0]   cnt1;

wire       add_cnt0;

wire       end_cnt0;

wire       add_cnt1;

wire       end_cnt1;

reg  red_led0;

reg  yellow_led0;

reg  green_led0;

reg  red_led1;

reg  yellow_led1;

reg  green_led1;

always @(posedgeclk or negedgerst_n)begin

    if (!rst_n)begin

        cnt0 <= 0;

    end

    else if(add_cnt0)begin

        if(end_cnt0)   

            cnt0 <= 0;

        else

            cnt0 <= cnt0 + 1;

    end

end

assign add_cnt0 = 1;

assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0 == 50_000_000-1;

always @(posedgeclk or negedgerst_n)begin

    if (!rst_n)begin

        cnt1 <= 0;

    end

    else if(add_cnt1)begin

        if(end_cnt1)   

            cnt1 <= 0;

        else

            cnt1 <= cnt1 + 1;

    end

end

assign add_cnt1 = end_cnt0;

assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1 == 20-1;

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin //南北方向红灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        red_led0 <= 1;

    end

    else if(add_cnt0 && cnt1==1-1) begin

        red_led0 <= 0;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==10-1) begin

        red_led0 <= 1;

    end

end

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin //南北方向黄灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        yellow_led0 <= 1;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==17-1) begin

        yellow_led0 <= 0;

    end

    else if(end_cnt1) begin

        yellow_led0 <= 1;

    end

end

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin  //南北方向绿灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        green_led0 <= 1;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==10-1) begin

        green_led0 <= 0;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==17-1) begin

        green_led0 <= 1;

    end

end

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin //东西方向红灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        red_led1 <= 1;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==10-1) begin

        red_led1 <= 0;

    end

    else if(end_cnt1) begin

        red_led1 <= 1;

    end

end

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin //东西方向黄灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        yellow_led1 <= 1;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==7-1) begin

        yellow_led1 <= 0;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==10-1) begin

        yellow_led1 <= 1;

    end

end

always  @(posedgeclk or negedgerst_n)begin  //东西方向绿灯

    if(rst_n==1'b0)begin

        green_led1 <= 1;

    end

    else if(add_cnt0 && cnt1==1-1) begin

        green_led1 <= 0;

    end

    else if(add_cnt1 && cnt1==7-1) begin

        green_led1 <= 1;

    end

end

endmodule

交通灯仿真结果：

个人感想：交通灯的代码基本继承于4位闪烁灯的代码，其中最重要的2个计数器cnt0、cnt1的代码也只是改了1个数字，其它也只是修改了一下信号变化的条件。案例的代码的模块化与规范化为代码的移植与修改提供了很大的便利，节省了大量的时间。

下面是MDY至本文之前，已经发布的文章。

至简学习笔记：一个FPGA小白的自述

至简学习笔记：Verilog语法笔记_20_0223

至简学习案例001：波形相位频率可调DDS

至简学习案例002：基于FPGA的SDRAM控制器设计—初始化设计

至简学习案例003：基于FPGA的SDRAM控制器设计—刷新

至简学习案例004：基于FPGA的SDRAM控制器设计三—读写功能设计

至简学习案例005：基于FPGA的M序列发生器设计

至简学习笔记：《FPGA至简设计原理与应用》学习笔记——1位闪烁灯设计

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至简学习案例007：ZYNQ自定义AXI总线IP应用——PWM实现呼吸灯效果