状态机思想编程

1. LED流水灯的FPGA代码

在这个任务中，首先我们会使用状态机的思想来设计一个LED流水灯的控制逻辑。LED流水灯一般需要依次点亮不同的LED，并且循环播放。我们将其分为几个状态，每个状态控制一个或一组LED灯。

状态机设计

假设我们有8个LED（从LED0到LED7），流水灯的效果是依次点亮每一个LED，最终循环回第一个LED。

状态机的实现步骤

设计一个3位的状态寄存器，用于表示当前LED的状态（点亮的LED）。
在每个时钟周期，更新状态寄存器，控制下一个LED点亮。
当状态寄存器达到最后一个LED时，重新回到第一个LED。

Verilog 代码实现：

module led_fsm(
    input clk,          // 时钟信号
    input rst_n,        // 复位信号，低电平有效
    output reg [7:0] led  // 8个LED的输出
);

    // 定义状态
    reg [2:0] state;    // 3位状态寄存器，用于表示当前的LED
    reg [2:0] next_state;  // 下一个状态

    // 状态定义
    parameter S0 = 3'b000,  // LED0
              S1 = 3'b001,  // LED1
              S2 = 3'b010,  // LED2
              S3 = 3'b011,  // LED3
              S4 = 3'b100,  // LED4
              S5 = 3'b101,  // LED5
              S6 = 3'b110,  // LED6
              S7 = 3'b111;  // LED7

    // 状态机逻辑：根据当前状态和时钟，决定下一个状态
    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (~rst_n) 
            state <= S0;  // 复位时回到初始状态
        else
            state <= next_state;
    end

    // 下一个状态逻辑
    always @ (state) begin
        case(state)
            S0: next_state = S1;
            S1: next_state = S2;
            S2: next_state = S3;
            S3: next_state = S4;
            S4: next_state = S5;
            S5: next_state = S6;
            S6: next_state = S7;
            S7: next_state = S0;
            default: next_state = S0;  // 默认状态
        endcase
    end

    // 根据当前状态控制LED的输出
    always @ (state) begin
        case(state)
            S0: led = 8'b00000001;
            S1: led = 8'b00000010;
            S2: led = 8'b00000100;
            S3: led = 8'b00001000;
            S4: led = 8'b00010000;
            S5: led = 8'b00100000;
            S6: led = 8'b01000000;
            S7: led = 8'b10000000;
            default: led = 8'b00000001;  // 默认状态
        endcase
    end

endmodule

测试代码：

接下来编写一个简单的测试平台，用于仿真测试这个LED流水灯的设计。

module tb_led_fsm;

    reg clk;
    reg rst_n;
    wire [7:0] led;

    // 实例化待测试模块
    led_fsm uut (
        .clk(clk),
        .rst_n(rst_n),
        .led(led)
    );

    // 时钟生成
    always begin
        #5 clk = ~clk;  // 10ns周期的时钟
    end

    // 初始化信号
    initial begin
        clk = 0;
        rst_n = 0;
        #10 rst_n = 1;  // 10ns后解除复位
        #100;  // 等待足够的时间以观察流水灯效果
        $stop;  // 停止仿真
    end

    // 监视LED的变化
    initial begin
        $monitor("At time %t, LED = %b", $time, led);
    end

endmodule

仿真分析：

使用ModelSim打开工程。
编译Verilog代码。
运行仿真，查看led的变化。

DE2-115板验证：

将上述Verilog代码加载到DE2-115 FPGA开发板中。
使用Qsys或SystemVerilog工具进行配置。
编写一个简单的约束文件，确保LED和时钟信号正确连接。
使用Quartus II编译和烧录程序到FPGA开发板，观察LED的流水灯效果。

2. CPLD与FPGA的主要技术区别

CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程门阵列）的主要区别：

架构：
- CPLD通常具有较少的逻辑资源，采用宏单元（宏块）结构。
- FPGA具有更多的逻辑单元，采用可编程逻辑阵列结构，适用于更复杂的应用。
容量：
- CPLD的逻辑资源较少，适合简单的逻辑控制任务。
- FPGA具有更大的逻辑资源和更高的逻辑密度，适合复杂的并行处理和高性能任务。
功耗：
- CPLD功耗较低，适合低功耗应用。
- FPGA相对功耗较高，尤其是高密度FPGA。
速度：
- CPLD的时钟频率较低，适合较慢的应用。
- FPGA可以支持更高的时钟频率，适用于高速处理任务。
配置方式：
- CPLD配置速度较快，通常不需要外部配置存储。
- FPGA通常需要外部配置存储，配置速度较慢。

适用场合：

CPLD：适用于简单的逻辑控制、时序电路、状态机等低密度任务。
FPGA：适用于高速计算、数字信号处理（DSP）、视频处理、通信等需要大量并行计算的复杂应用。

3. hdlbits FPGA教程在线学习

1.Wire

创建一个具有一个输入和一个输出的模块，其行为类似于电线。

与物理导线不同，Verilog 中的导线（和其他信号）是定向的。这意味着信息只在一个方向上流动，从（通常是一个）源到接收器（该源通常也称为将值驱动到导线上的驱动程序）。在Verilog"连续赋值"（assign left_side = right_side;）中，右侧信号的值被驱动到左侧的导线上。分配是"连续的"，因为即使右侧的值发生变化，分配也会一直继续。连续分配不是一次性事件。assign left_side = right_side;

模块上的端口也有一个方向（通常是输入或输出）。输入端口由模块外部的东西驱动，而输出端口则驱动外部的东西。从模块内部查看时，输入端口是驱动器或源，而输出端口是接收器。

下图说明了电路的每个部分如何对应于Verilog代码的每个位。模块和端口声明创建电路的黑色部分。您的任务是通过添加要连接到的语句来创建一条线路（绿色）。开箱即用的部件不是您关心的问题，但您应该知道，通过将测试线束的信号连接到顶部_模块的端口，可以测试您的电路。

module top_module( input in, output out );
    assign out = in;
endmodule

请添加图片描述

2 Four wires

创建一个具有 3 个输入和 4 个输出的模块，其行为类似于建立这些连接的电线：

a -> w
b -> x
b -> y
c -> z
下图说明了电路的每个部分如何对应于Verilog代码的每个位。从模块外部，有三个输入端口和四个输出端口。当您有多个赋值语句时，它们在代码中的显示顺序无关紧要。与编程语言不同，赋值语句（“连续赋值”）描述事物之间的连接，而不是将值从一个事物复制到另一个事物的操作。现在也许应该澄清的一个潜在的混淆来源是：这里的绿色箭头代表电线之间的连接，但本身不是电线。模块本身已经声明了 7 条导线（命名为 a、b、c、w、x、y 和 z）。这是因为，除非另有说明，否则声明实际上声明了一条线。写 input wire a 写 input a 是一样的.。因此，这些语句不是在创建导线，而是在已经存在的 7 根导线之间创建连接。

module top_module( 
    input a,b,c,
    output w,x,y,z );
    assign w = a;
    assign x = b,y = b;
    assign z = c;
endmodule

3 Inverter

创建一个实现 NOT 门的模块。该电路类似于线，但略有不同。当从电线连接到电线时，我们将实现逆变器（或"非门"）而不是普通电线。使用assign语句。assign语句将持续将in的非转换为out。

module top_module( input in, output out );
    assign out = ~in;
endmodule

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4 AND gate

创建实现 AND 门的模块。

该电路现在有三条导线（a、b和out）。导线a和b已经具有由输入端口驱动的值。但wire out目前并不是由任何因素驱动的。写一个assign语句，用a和b的AND信号输出。

请注意，该电路与NOT门非常相似，只是多了一个输入。如果听起来不一样，那是因为我已经开始描述信号是被驱动的（已知值由附加到它的某个东西决定）还是不是被某个东西驱动的。输入线由模块外部的东西驱动。assign语句将把一个逻辑电平驱动到一条线上。正如您所料，一条导线不能有多个驱动器（如果有，其逻辑级别是多少？），没有驱动程序的导线将有一个未定义的值（在合成硬件时通常被视为0）。

module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    output out );
    assign out = a & b;
endmodule

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5 NOR gate

创建一个实现或非门的模块。或非门是输出反转的或门。在Verilog中编写NOR函数时需要两个运算符。

assign语句用一个值驱动一条线（或者更正式地称为“网”）。该值可以是任意复杂的函数，只要它是组合函数（即无内存、无隐藏状态）。assign语句是一种连续赋值，因为每当其任何输入发生变化时，都会“重新计算”输出，就像一个简单的逻辑门一样。

module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    output out );
    assign out = ~(a | b);
endmodule

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