FPGA学习(二)——实现LED流水灯

一、DE2-115时钟源

DE2-115板子包含一个50MHz的石英晶体振荡器，通过一个时钟缓冲器产生3路抖动低的50MHz时钟信号送到FPGA的时钟输入引脚，如下图所示：

因此可以计算出，时钟信号的周期T=1/(50*10^6)=20ns，1s=10^9ns，则1秒所需的时钟周期数为N=10^9/20=50000000

所以cnt计数器从0计数到50000000-1时，表示1秒。

二、控制6个LED灯实现流水灯

1、核心逻辑

• 时钟和复位信号的处理

  • 代码通过always块监听时钟信号clk的上升沿、复位信号rst_n的下降沿以及停止信号stop_n的下降沿。
  • 当复位信号rst_n为低电平时，计数器cnt被重置为0，并且LED灯的状态被设置为6'b000001，即第一个LED亮起

• 按键停止信号的处理

  • 当按键停止信号stop_n为低电平时，计数器cnt和LED灯的状态led保持不变，即停止计数和LED状态的变化。

• 计数器的计数逻辑

  • 如果复位信号和停止信号都无效（即rst_n和stop_n都为高电平），计数器cnt开始计数。
  • 当计数器cnt达到50_000_000 - 1时（即1秒的时钟周期，时钟频率为50MHz），计数器cnt被重置为0，并且LED灯的状态led进行循环右移一位，实现流水灯效果。

2、代码实现

module LedBlink(
    input wire clk,       // 50MHz时钟输入
    input wire rst_n,     // 复位信号，低电平有效
    input wire stop_n,      //停止信号
    output reg [5:0] led  // 6个LED灯输出
);
    reg [25:0] cnt;       // 26位计数器，用于计数1秒周期
    // 计数器模块
    always @(posedge clk or negedge rst_n or negedge stop_n) begin // posedge是指clk的上升沿 negedge是指rst_n的下降沿
        if (!rst_n) begin
            cnt <= 26'd0; // 复位时，计数器从0开始计数
            led <= 6'b000001; // 复位时，第一个LED亮
			end
		  else if (!stop_n) begin
				cnt <= cnt;
				led <= led;
			end 
		  else if (cnt == 50_000_000 - 1) begin // 计数到50,000,000 - 1
            cnt <= 26'd0; // 重置计数器
            led <= {led[4:0], led[5]}; // 循环右移一位，保持流水灯效果
        end 
		  else begin
            cnt <= cnt + 1; // 增加计数器
        end
    end 
endmodule

3、引脚配置

4、实现效果

三、模块化代码

1、分频模块

module clock(
    input wire clk,       // 50MHz时钟输入
    input wire rst_n,     // 复位信号，低电平有效
    output reg clk_1Hz    // 1Hz分频时钟输出
);
    reg [25:0] cnt;       // 26位计数器，用于计数1秒周期

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            cnt <= 26'd0;          // 复位时，计数器清零
            clk_1Hz <= 1'b0;        // 复位时，1Hz时钟信号置低
        end
        else if (cnt == 50_000_000 - 1) begin // 计数到50,000,000 - 1
            cnt <= 26'd0;           // 重置计数器
            clk_1Hz <= ~clk_1Hz;    // 翻转1Hz时钟信号
        end
        else begin
            cnt <= cnt + 1;         // 计数器递增
        end
    end
endmodule

2、复位暂停模块

module control(
    input wire clk_1Hz,   // 1Hz时钟输入
    input wire rst_n,     // 复位信号，低电平有效
    input wire stop_n,    // 停止信号，低电平有效
    output reg [5:0] led  // 6个LED灯输出
);
    always @(posedge clk_1Hz or negedge rst_n or negedge stop_n) begin
        if (!rst_n) begin
            led <= 6'b000001; // 复位时，第一个LED亮
        end
        else if (!stop_n) begin
            led <= led;        // 停止时，LED状态保持不变
        end
        else begin
            led <= {led[4:0], led[5]}; // 循环右移一位，实现流水灯效果
        end
    end
endmodule

3、顶层模块

module led(
    input wire clk,       // 50MHz时钟输入
    input wire rst_n,     // 复位信号，低电平有效
    input wire stop_n,    // 停止信号，低电平有效
    output wire [5:0] led // 6个LED灯输出
);
    wire clk_1Hz; // 1Hz时钟信号

    // 实例化时钟模块
    clock  u_clock(
        .clk(clk),
        .rst_n(rst_n),
        .clk_1Hz(clk_1Hz)
    );

    // 实例化控制模块
    control u_control(
        .clk_1Hz(clk_1Hz),
        .rst_n(rst_n),
        .stop_n(stop_n),
        .led(led)
    );
endmodule

四、总结

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。实验关键点在于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。
，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。实验关键点在于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。