【FPGA基础学习】状态机思想实现流水灯
目录
- 一、用状态机实现LED流水灯
- 1.状态机思想简介
- 1. 1基本概念
- 1.2.核心要素
- 1.3分类与模型
- 2.LED流水灯
- 二、CPLD与FPGA
- 1.技术区别
- 2.应用场景
- 3.设计选择建议
- 三、HDLbits组合逻辑题目
一、用状态机实现LED流水灯
1.状态机思想简介
1. 1基本概念
状态机（Finite State Machine, FSM）是一种用于描述系统行为及其状态转换的数学模型。它将系统抽象为有限个状态，并通过事件触发实现状态间的迁移，同时可能伴随特定的动作。其核心思想是“基于状态的逻辑控制”，适用于具有明确阶段性和条件依赖性的系统
1.2.核心要素
现态（Current State）：系统当前所处的状态。
事件（Event）：触发状态迁移的条件（如用户输入、传感器信号等）
动作（Action）：状态迁移时执行的操作（如开启设备、发送数据等）
次态（Next State）：事件触发后系统将进入的新状态
1.3分类与模型
Moore型：输出仅由当前状态决定（如交通信号灯的红绿灯切换）
Mealy型：输出由当前状态和输入共同决定（如网络协议中的应答机制）
确定型（DFA）：每个状态对同一事件有唯一迁移路径
非确定型（NFA）：同一事件可能触发多个迁移路径，需额外逻辑处理
2.LED流水灯
核心代码如下：
module led_flow(
input clk, // 50MHz时钟
input rst_n, // 复位信号（低有效）
output reg [7:0] led
);
// 状态定义（8个状态）
localparam [2:0] S0=0, S1=1, S2=2, S3=3, S4=4, S5=5, S6=6, S7=7;
reg [2:0] state;
reg [24:0] cnt;
wire en = (cnt == 25'd24_999_999); // 分频使能
// 分频计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) cnt <= 0;
else if (en) cnt <= 0;
else cnt <= cnt + 1;
end
// 状态机主逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
state <= S0;
led <= 8'b00000001; // 初始状态S0点亮LED0
end
else if (en) begin
case(state)
S0: begin led <= 8'b00000010; state <= S1; end //S0→S1（第2个LED亮）
S1: begin led <= 8'b00000100; state <= S2; end //S1→S2（第3个LED亮）
S2: begin led <= 8'b00001000; state <= S3; end //S2→S3（第4个LED亮）
S3: begin led <= 8'b00010000; state <= S4; end //S3→S4（第5个LED亮）
S4: begin led <= 8'b00100000; state <= S5; end //S4→S5（第6个LED亮）
S5: begin led <= 8'b01000000; state <= S6; end //S5→S6（第7个LED亮）
S6: begin led <= 8'b10000000; state <= S7; end //S6→S7（第8个LED亮）
S7: begin led <= 8'b00000001; state <= S0; end //S7→S0（第1个LED亮，循环）
default: state <= S0; // 默认回到初始状态
endcase
end
end
endmodule
仿真文件编写：
`timescale 1ns / 1ps
module led_flow_tb;
// 输入信号
reg clk; // 50MHz时钟
reg rst_n; // 复位信号（低有效）
// 输出信号
wire [7:0] led; // LED输出
// 实例化被测模块
led_flow uut (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.led(led)
);
// 1. 生成50MHz时钟
initial begin
clk = 0;
forever #10 clk = ~clk; // 周期20ns（50MHz）
end
// 2. 控制复位信号
initial begin
rst_n = 0; // 初始复位有效
#100; // 保持100ns复位
rst_n = 1; // 释放复位
#2000000000; // 仿真运行2秒（覆盖多个状态循环）
$finish; // 结束仿真
end
// 3. 监视信号变化
initial begin
$monitor("Time=%tns | State=%d | LED=%b", $time, uut.state, led);
end
endmodule
仿真：
因为我流水灯的周期太长了，没有办法显示全，所以调整分频
wire en = (cnt == 25'd4_999_999); // 分频使能
可以看到仿真结果符合预期
引脚绑定：
实现效果：
led 流水灯状态机思想
二、CPLD与FPGA
1.技术区别
| 特性 | CPLD | FPGA |
|---|---|---|
| 架构 | 基于乘积项（Product Term）结构，逻辑块较大 | 基于查找表（LUT）结构，逻辑单元粒度小 |
| 资源规模 | 较小（通常<10万门） | 较大（可达数百万门） |
| 时序特性 | 延时均匀，可预测性强 | 延时依赖布局布线，需时序约束优化**7 |
| 编程方式 | 非易失性（EEPROM/Flash），无需外部配置 | 易失性（SRAM），需外部存储器加载配置 |
| 功耗 | 静态功耗低，适合低功耗场景 | 动态功耗高，适合高性能计算 |
| 重构灵活性 | 配置固定，不支持动态重构 | 支持实时动态重构 |
2.应用场景
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CPLD：
- 控制密集型系统：如接口转换（UART转SPI）、简单状态机、工业控制逻辑
- 低功耗场景：电池供电设备，需长期稳定运行
- 快速原型验证：中小规模逻辑的快速实现
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FPGA：
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数据密集型系统：图像处理、高速通信（如PCIe）、数字信号处理（DSP）
-
复杂算法加速：深度学习推理、加密解密算法
-
可重构计算：航天电子设备需在轨更新功能
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3.设计选择建议
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若需简单逻辑控制且对成本敏感，选CPLD
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若需高性能并行处理或动态重构，选FPGA
三、HDLbits组合逻辑题目
HDLBits（点击进入练习） 是一个专注于 Verilog硬件描述语言（HDL）学习和实践 的在线平台，由多伦多大学开发，旨在通过小型电路设计习题帮助用户：夯实Verilog基础、理解数字电路设计思想（例如状态机设计、时序约束优化等关键概念）、衔接实际项目（平台题目与FPGA开发中的常见模块，如FIFO、接口控制器，高度相关）
题目1：简单电路B
module top_module ( input x, input y, output z );
assign z = ~(x ^ y);
endmodule
题目2：Two gates
module top_module (
input in1,
input in2,
input in3,
output out);
assign out=(~(in1^in2))^in3;
endmodule
题目3：7420chip
module top_module (
input p1a, p1b, p1c, p1d,
output p1y,
input p2a, p2b, p2c, p2d,
output p2y );
assign p1y=~(p1a&p1b&p1c&p1d);
assign p2y=~(p2a&p2b&p2c&p2d);
endmodule
题目4：真值表
module top_module(
input x3,
input x2,
input x1, // three inputs
output f // one output
);
wire and1 = (~x3 & x2 & ~x1);
wire and2 = (~x3 & x2 & x1);
wire and3 = (x3 & ~x2 & x1);
wire and4 = (x3 & x2 & x1);
assign f = and1 | and2 | and3 | and4;
endmodule
题目5：加法器
module top_module (
input [3:0] x,
input [3:0] y,
output [4:0] sum);
assign sum = x + y;
endmodule
参考链接：
百度词条CPLD与FPGA
CPLD与FPGA的用途及其区别
百度百科状态机
聊一聊状态机