FPGA状态机思想实现流水灯及HDLBits学习
目录
- 第一章 在DE2-115上用状态机思想实现LED流水灯
- 1.1 状态机设计思路
- 1.2 Verilog代码实现
- 1.3. 仿真测试代码
- 1.4 编译代码与仿真
- 第二章 CPLD和FPGA芯片的主要技术区别是什么？它们各适用于什么场合？
- 2.1 主要技术区别
- 2.2 适用场合
- 第三章 HDLBits学习
- 3.1四位右移寄存器
- 3.2 半加器
- 3.3 全加器
- 3.4 线材
- 3.5 与门
- 参考资料
第一章 在DE2-115上用状态机思想实现LED流水灯
1.1 状态机设计思路
- 状态定义：定义多个状态，每个状态对应一个LED亮起。
- 状态转移：按顺序从一个状态转移到下一个状态。
- 计数器：用于控制每个状态的持续时间。
1.2 Verilog代码实现
- 环境配置
- 代码
module led_fsm(
input wire clk, // 时钟信号
input wire reset, // 复位信号
output reg [7:0] leds // 8个LED输出
);
// 定义状态
parameter STATE0 = 3'b000;
parameter STATE1 = 3'b001;
parameter STATE2 = 3'b010;
parameter STATE3 = 3'b011;
parameter STATE4 = 3'b100;
parameter STATE5 = 3'b101;
parameter STATE6 = 3'b110;
parameter STATE7 = 3'b111;
reg [2:0] current_state, next_state;
// 计数器，用于控制每个状态的持续时间
reg [25:0] cnt;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
current_state <= STATE0;
cnt <= 0;
end else begin
if (cnt == 25'd10000000) begin // 每个状态持续约1秒（假设时钟为50MHz）
cnt <= 0;
current_state <= next_state;
end else begin
cnt <= cnt + 1;
end
end
end
always @(*) begin
case (current_state)
STATE0: begin
leds = 8'b00000001;
next_state = STATE1;
end
STATE1: begin
leds = 8'b00000010;
next_state = STATE2;
end
STATE2: begin
leds = 8'b00000100;
next_state = STATE3;
end
STATE3: begin
leds = 8'b00001000;
next_state = STATE4;
end
STATE4: begin
leds = 8'b00010000;
next_state = STATE5;
end
STATE5: begin
leds = 8'b00100000;
next_state = STATE6;
end
STATE6: begin
leds = 8'b01000000;
next_state = STATE7;
end
STATE7: begin
leds = 8'b10000000;
next_state = STATE0;
end
default: begin
leds = 8'b00000001;
next_state = STATE1;
end
endcase
end
endmodule
1.3. 仿真测试代码
module tb_led_fsm;
// 时钟和复位信号
reg clk;
reg reset;
wire [7:0] leds;
// 实例化被测试模块
led_fsm uut (
.clk(clk),
.reset(reset),
.leds(leds)
);
// 时钟生成
initial begin
clk = 0;
forever #10 clk = ~clk;
end
// 测试过程
initial begin
reset = 1;
#20 reset = 0;
#10000 $stop;
end
endmodule
1.4 编译代码与仿真
-
编译
led_fsm.v
-
点击
Processing–>Start–>Start test bench template writer，并在flie中添加生成的led_fsm.vt文件
-
修改led_fsm.vt文件内容
把仿真代码copy到该文件内，并在第一行声明时间扫描间隔
-
配置仿真环境
点击Tools–>Options–>EDA ToolsOptions选项，配置ModelSim环境，如果Modelsim版本为INTEL FPGA Edition，那么文件地址应为安装文件内........\modelsim_ase\win32aloem，如图所示。
-
配置仿真文件，点击
Assignments–>Settings
-
选择上面的
Compile test bench点击后面Test Bench进入选择，点击New新建
-
按照顺序先编辑名字，然后浏览刚才的.vt文件，最后点击Add添加达到如下图效果，再点击OK
-
点击
Tools–>Run Simulation Tool–>RTL Simulation开始进行仿真
仿真结果
第二章 CPLD和FPGA芯片的主要技术区别是什么？它们各适用于什么场合？
2.1 主要技术区别
- 结构：
CPLD：基于查找表（LUT）和可编程连线的简单结构，逻辑资源较少。
FPGA：基于查找表（LUT）和可编程连线的复杂结构，逻辑资源丰富，支持大规模设计。 - 编程方式：
CPLD：通常使用一次性可编程（OTP）技术，编程后不可擦除。
FPGA：使用SRAM配置，可多次擦写和重新编程。 - 速度和性能：
CPLD：延迟较低，适合高速简单逻辑。
FPGA：延迟较高，但支持复杂的逻辑设计。 - 成本和功耗：
CPLD：成本较低，功耗较低。
FPGA：成本较高，功耗较高。
2.2 适用场合
CPLD：
- 适合简单的逻辑设计和组合逻辑。
- 适合需要低延迟和低功耗的场合。
- 适合需要一次性编程的场合。
FPGA：
- 适合复杂的逻辑设计和大规模数字系统。
- 适合需要频繁更新和调试的场合。
- 适合需要高性能计算的场合。
第三章 HDLBits学习
通过访问HDLBits以及HDLBits中文导学网站，完成组合逻辑（combinational logic）中的各题目
3.1四位右移寄存器
-
题目
-
代码实现
module top_module(
input clk,
input areset, // async active-high reset to zero
input load,
input ena,
input [3:0] data,
output reg [3:0] q);
// 异步复位，同步加载和移位
always @(posedge clk or posedge areset) begin
if (areset) begin
q <= 4'b0000; // 异步复位为0
end else begin
if (load) begin
q <= data; // 同步加载
end else if (ena) begin
q <= {1'b0, q[3:1]}; // 右移一位，最高位清零
end
// 如果load和ena都无效，保持当前状态
end
end
endmodule
- 提交结果
3.2 半加器
- 题目
- 代码实现
module top_module(
input a, b,
output cout, sum
);
assign sum = a ^ b;
assign cout = a & b;
endmodule
- 提交结果
3.3 全加器
- 题目
- 代码实现
module top_module(
input a, b, cin,
output cout, sum
);
assign sum = a ^ b ^ cin;
assign cout = (a & b) | (a & cin) | (b & cin);
endmodule
- 提交结果
3.4 线材
- 题目
- 代码
module top_module(
input in,
output out
);
assign out = in;
endmodule
- 提交结果
3.5 与门
- 题目
- 代码实现
module top_module(
input a,
input b,
output out
);
assign out = a & b;
endmodule
- 提交结果
参考资料
Quartus使用步骤及联合Modelsim仿真教程
FPGA基础入门【2】ModelSim官方免费版安装
quartus和modelsim联合仿真详细教程