Verilog實現流水燈及與C語言的對比
一、 軟件平臺與硬件平臺
軟件平臺：
1、操作系統：Windows-8.1
2、開發套件：ISE14.7
硬件平臺：
1、FPGA型號：XC6SLX45-2CSG324
二、 原理介紹
我的開發板上有4個LED燈，原理圖如下：
由原理圖可知僅當FPGA的對應管腳輸入低電平時LED才會亮，流水燈的效果可以輪流讓四個對應管腳輸出低電平來產生。
三、 目標任務
編寫四個LED流水的Verilog代碼并用ModelSim進行仿真，仿真通過以后下載到開發板進行測試，要求開發板上每個LED亮的時間為1s。
四、 設計思路與Verilog代碼編寫
由于每個LED亮的時間為1s，所以首先很自然想到產生一個1s的時鐘用來驅動后續邏輯，有了這個1s的時鐘以后，就可以在這個1s時鐘的節拍下對LED的輸出進行以移位操作來產生流水燈的效果。
1、1s時鐘的分頻邏輯
由于主時鐘是50MHz，周期為20ns，所以可以利用50MHz主時鐘驅動一個計數器，當計數器的值每次到達24999999時，消耗的時間為25000000*20ns=0.5s，這時把分頻器的輸出反轉，并把計數值清0，這樣分頻器的輸出就會每隔0.5s翻轉一次，產生了一個1s的時鐘。
Verilog代碼如下：
////////////////////////////////////////////////////////////////// // 功能：產生1s的時鐘 ////////////////////////////////////////////////////////////////// always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n) begin if(!I_rst_n) begin R_cnt_ls <= 32'd0 ; R_clk_ls_reg <= 1'b1 ; end else if(R_cnt_ls == 32'd24_999_999) begin R_cnt_ls <= 32'd0 ; R_clk_ls_reg <= ~R_clk_ls_reg ; end else R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ; end assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;
2、移位邏輯
有了1s的時鐘信號以后，就在這個1s時鐘信號的驅動下對輸出的LED寄存器進行移位操作產生流水效果。
Verilog代碼如下：
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：對輸出寄存器進行移位產生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
else if(R_led_out_reg == 4'b1000)
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
else
R_led_out_reg <= R_led_out_reg << 1 ;
end
assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;
五、 ModelSim仿真
寫好邏輯以后，為了確定時序是正確的，最好寫一個測試文件對功能進行仿真，為了加快仿真速度，修改分頻邏輯計數器的計數值為24，然后編寫測試文件，測試文件中激勵產生的Verilog代碼如下：
initial begin // Initialize Inputs I_clk = 0; I_rst_n = 0; // Wait 100 ns for global reset to finish #100; I_rst_n = 1; // Add stimulus here end always #10 I_clk = ~I_clk ;
仿真的時序圖如下圖所示：
可以看到時序完全正確，接下來就是綁定管腳，生成bit文件下載到開發板測試了。
六、 進一步思考——C語言流水燈與Verilog流水燈區別
看完網上《Verilog那些事》系列博文以后，作者提出了一種“仿順序操作”方法，其實以前自己寫代碼的時候無形之中一直在用這種思想，但是一直沒有提煉出來，看完作者的介紹以后才發現確實是有那個“仿順序”的味道。詳細的博文請參考博客園博主akuei2的系列博文。這里我在總結一遍，給以后留個印象。
C語言實現流水燈的大致代碼框架如下：
while(1)
{
1、讓第1個LED亮，其他的滅；
2、延時1s
3、讓第2個LED亮，其他的滅
4、延時1s
5、讓第3個LED亮，其他的滅；
6、延時1s
7、讓第4個LED亮，其他的滅
8、延時1s
}
在while(1)里面代碼是一行一行的執行，最后一行執行完畢以后在回到第一行重新開始新一輪的執行。就這樣產生了流水的效果。
看到這里，有人應該突然明白了吧，這不正好就是Verilog中的一個狀態機么。對應的Verilog代碼也可以寫出來了
always @(posedge I_clk)
begin
case(R_state)
第1個狀態：讓第1個LED亮，其他的滅，下一狀態是第2個狀態；
第2個狀態：延時1s，下一狀態是第3個狀態；
第3個狀態：讓第2個LED亮，其他的滅，下一狀態是第4個狀態；
第4個狀態：延時1s，下一狀態是第5個狀態；
第5個狀態：讓第3個LED亮，其他的滅，下一狀態是第6個狀態；
第6個狀態：延時1s，下一狀態是第7個狀態；
第7個狀態：讓第4個LED亮，其他的滅，下一狀態是第8個狀態；
第8個狀態：延時1s，下一狀態是第1個狀態；
default ：；
endcase
end
具體的代碼如下：
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：“仿順序操作”
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_state <= 3'b000 ;
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
end
else
begin
case(R_state)
C_S0:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
R_state <= C_S1 ;
end
C_S1:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S2 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S2:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0010 ;
R_state <= C_S3 ;
end
C_S3:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S4 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S4:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0100 ;
R_state <= C_S5 ;
end
C_S5:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S6 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S6:
begin
R_led_out_reg <= 4'b1000 ;
R_state <= C_S7 ;
end
C_S7:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S0 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
default: R_state <= 3'b000 ;
endcase
end
end
assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;
時序圖如下圖：
時序圖仍然正確，實現了流水燈的效果
七、 總結
1、所謂的“仿順序操作”實際上就是一個狀態機，通過狀態的跳變實現“順序執行”的效果。這種思想在后面寫接口時序的時候還是挺管用的，今后可以多多琢磨琢磨。
2、 C語言的while(1)和Verilog語言的always @(posedge I_clk)有類似的地方，只要CPU的時鐘存在，它們就一直執行下去。書上都說C語言是一種串行語言，Verilog是一種并行語言，實際上這里也能有體會：C語言里只能有1個while(1)語句，進入while(1)以后CPU就出不來了，而Verilog中可以有多個always @(posedge I_clk)語句，并且每個always @(posedge I_clk)同時運行的，這就是兩種語言最大的區別吧。
八、 附錄
1、分頻1s產生流水燈的完整代碼
module led_work_top
(
input I_clk ,
input I_rst_n ,
output [3:0] O_led_out
);
reg [31:0] R_cnt_ls ;
wire W_clk_ls ;
reg R_clk_ls_reg ;
reg [3:0] R_led_out_reg ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：產生1s的時鐘
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_clk_ls_reg <= 1'b1 ;
end
else if(R_cnt_ls == 32'd24_999_999)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_clk_ls_reg <= ~R_clk_ls_reg ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：對輸出寄存器進行移位產生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
else if(R_led_out_reg == 4'b1000)
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
else
R_led_out_reg <= R_led_out_reg << 1 ;
end
assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;
endmodule
2、 “仿順序操作”產生流水燈完整代碼
module led_work_top
(
input I_clk ,
input I_rst_n ,
output [3:0] O_led_out
);
reg [31:0] R_cnt_ls ;
reg [3:0] R_led_out_reg ;
reg [2:0] R_state ;
parameter C_CNT_1S = 32'd49_999_999 ;
parameter C_S0 = 3'b000 ,
C_S1 = 3'b001 ,
C_S2 = 3'b010 ,
C_S3 = 3'b011 ,
C_S4 = 3'b100 ,
C_S5 = 3'b101 ,
C_S6 = 3'b110 ,
C_S7 = 3'b111 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：仿順序操作
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_state <= 3'b000 ;
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
end
else
begin
case(R_state)
C_S0:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
R_state <= C_S1 ;
end
C_S1:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S2 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S2:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0010 ;
R_state <= C_S3 ;
end
C_S3:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S4 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S4:
begin
R_led_out_reg <= 4'b0100 ;
R_state <= C_S5 ;
end
C_S5:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S6 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
C_S6:
begin
R_led_out_reg <= 4'b1000 ;
R_state <= C_S7 ;
end
C_S7:
begin
if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
begin
R_cnt_ls <= 32'd0 ;
R_state <= C_S0 ;
end
else
R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end
default: R_state <= 3'b000 ;
endcase
end
end
assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;
endmodule
3、測試記錄文件完整代碼
module tb_led_work_top;
// Inputs
reg I_clk;
reg I_rst_n;
// Outputs
wire [3:0] O_led_out;
// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
led_work_top U_led_work_top (
.I_clk(I_clk),
.I_rst_n(I_rst_n),
.O_led_out(O_led_out)
);
initial begin
// Initialize Inputs
I_clk = 0;
I_rst_n = 0;
// Wait 100 ns for global reset to finish
#100;
I_rst_n = 1;
// Add stimulus here
end
always #5 I_clk = ~I_clk ;
endmodule
審核編輯：湯梓紅
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原文標題：【接口時序】2、Verilog實現流水燈及與C語言的對比
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