【FPGA】状态机思想回顾流水灯
- 一、LED流水灯实现
- 1. 基本要求
- 2. 状态机思想
- 3. 关键代码
- 4. 仿真测试
- 5. 效果演示
- 二、CPLD和FPGA
- 1. 技术区别
- 2. 应用场景
- 三、HDLbits组合逻辑题目
- 四、实验总结
一、LED流水灯实现
1. 基本要求
- 用状态机思想写一个 LED流水灯的FPGA代码
- 写出仿真测试代码，用Modelsim进行仿真分析
- DE2-115板上验证
2. 状态机思想
用状态机思想的话，流水灯通常可以用几个状态来表示不同的LED亮的位置。
比如，每个状态对应一个LED亮，然后通过状态转移来实现流动的效果。由于我们流水灯是8个灯亮，所以对应8个状态。
所以，状态机的状态定义可能如下：
状态S0: LED[0]亮
状态S1: LED[1]亮
…
状态S7: LED[7]亮
流水灯就是一个状态持续一段时间再进入下一个状态。
3. 关键代码
// File: led_flow.v
module led_flow(input clk, // 50MHz时钟 (DE2-115 PIN_Y2)input rst_n, // 复位信号 (低电平有效)output reg [7:0] led// LED输出 (DE2-115 LEDG7-LEDG0)
);// 状态定义
localparam S0 = 3'b000; // 初始状态：LED0亮
localparam S1 = 3'b001;
localparam S2 = 3'b010;
localparam S3 = 3'b011;
localparam S4 = 3'b100;
localparam S5 = 3'b101;
localparam S6 = 3'b110;
localparam S7 = 3'b111;// 内部信号
reg [2:0] state; // 当前状态
reg [24:0] cnt; // 分频计数器
wire en; // 状态切换使能（0.5Hz）// 0.5Hz分频（0.5秒切换）
assign en = (cnt == 25'd24_999_999); // 50MHz/(25M+1) ≈ 0.5Hz// 分频计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!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) beginif(!rst_n) beginstate <= S0;led <= 8'b0000_0001; // 初始状态endelse if(en) begincase(state)S0: begin led <= 8'b0000_0010; state <= S1; endS1: begin led <= 8'b0000_0100; state <= S2; endS2: begin led <= 8'b0000_1000; state <= S3; endS3: begin led <= 8'b0001_0000; state <= S4; endS4: begin led <= 8'b0010_0000; state <= S5; endS5: begin led <= 8'b0100_0000; state <= S6; endS6: begin led <= 8'b1000_0000; state <= S7; endS7: begin led <= 8'b0000_0001; state <= S0; enddefault: state <= S0;endcaseend
endendmodule
4. 仿真测试
写完代码后，参考连接博客进行仿真。
Quartus使用步骤及联合Modelsim仿真教程-
知安的小白
操作步骤这篇博客讲的很清楚了，一同操作后的效果截图如下
仿真代码(tb_led_flow.v)
// File: tb_led_flow.v
`timescale 1ns/1ps
module tb_led_flow();reg clk;
reg rst_n;
wire [7:0] led;// 实例化被测模块
led_flow uut(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.led(led)
);// 生成50MHz时钟
initial beginclk = 0;forever #10 clk = ~clk; // 20ns周期=50MHz
end// 测试激励
initial begin// 初始化rst_n = 0;#100;rst_n = 1;// 观察10个状态周期#100000000; // 仿真10ms（实际应仿真更长时间）$stop;
endendmodule
下面是仿真波形：
5. 效果演示
［FPGA］状态机思想回顾流水灯演示效果
二、CPLD和FPGA
1. 技术区别
| 特性 | 特性 | FPGA |
|---|---|---|
| 结构 | 乘积项逻辑 | 查找表(LUT)结构 |
| 逻辑容量 | 通常<10万门 | 可达数百万逻辑单元 |
| 布线结构 | 固定互联 | 可编程互联 |
| 时序特性 | 确定延迟 | 布线依赖延迟 |
| 存储资源 | 有限 | 包含专用Block RAM |
| 配置方式 | 非易失，上电即用 | 通常需要外部配置芯片 |
| 功耗 | 低静态功耗 | 高动态功耗 |
| 适用场景 | 胶合逻辑、状态机 | 复杂算法、并行处理 |
2. 应用场景
-
CPLD典型应用：
接口协议转换（UART、SPI）
简单状态机控制
地址译码电路
上电时序管理 -
FPGA典型应用：
数字信号处理（FIR滤波器）
高速接口（PCIe、DDR）
图像处理流水线
协议加速（TCP/IP Offload）
三、HDLbits组合逻辑题目
HDLbits问题集（Verilog）精选题目及解答
题目1：Exams/m2014 q4g
module top_module (input in1,input in2,input in3,output out);assign out = (~(in1^in2)^in3);
endmodule
题目2：Gates
Module Declaration
module top_module(
input a, b,
output out_and,
output out_or,
output out_xor,
output out_nand,
output out_nor,
output out_xnor,
output out_anotb
);
大概意思就是写个逻辑语句实现名称。
module top_module( input a, b,output out_and,output out_or,output out_xor,output out_nand,output out_nor,output out_xnor,output out_anotb
);assign out_and=a&b;assign out_or=a|b;assign out_xor=a^b;assign out_nand=~(a&b);assign out_nor=~(a|b);assign out_xnor=~(a^b);assign out_anotb=a&(~b);
endmodule
题目3：Arithmetic Circuits–Adder（加法器设计）
module top_module (input [3:0] x, input [3:0] y, output [4:0] sum);assign sum = x + y;
endmodule
题目4：7420
74LS20芯片内部逻辑电路如下，由两个nand（与非门）组成。需要写个语句实现7420功能。
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5：Truthtable1
按真值表实现电路。
如果数电学的不好不知道怎么办的话，可以用logisim，点击Project->Analyze Circuit->Table:
再点击Build Circuit就生成电路图了。
module top_module( input x3,input x2,input x1, // three inputsoutput f // one output
);assign f=((~x3)&x2)|(x1&x3);
endmodule
四、实验总结
本次实验掌握了状态机编程思想，事实上，状态机思想也更简易更容易想到。