Verilog实现流水灯及与C语言的对比
描述
一、 软件平台与硬件平台
软件平台：
1、操作系统：Windows-8.1
2、开发套件：ISE14.7
3、仿真工具：ModelSim-10.4-SE
硬件平台：
1、FPGA型号：XC6SLX45-2CSG324
二、 原理介绍
我的开发板上有4个LED灯，原理图如下：
由原理图可知仅当FPGA的对应管脚输入低电平时LED才会亮，流水灯的效果可以轮流让四个对应管脚输出低电平来产生。
三、 目标任务
编写四个LED流水的Verilog代码并用ModelSim进行仿真，仿真通过以后下载到开发板进行测试，要求开发板上每个LED亮的时间为1s。
四、 设计思路与Verilog代码编写
由于每个LED亮的时间为1s，所以首先很自然想到产生一个1s的时钟用来驱动后续逻辑，有了这个1s的时钟以后，就可以在这个1s时钟的节拍下对LED的输出进行以移位操作来产生流水灯的效果。
1、1s时钟的分频逻辑
由于主时钟是50MHz，周期为20ns，所以可以利用50MHz主时钟驱动一个计数器，当计数器的值每次到达24999999时，消耗的时间为25000000*20ns=0.5s，这时把分频器的输出反转，并把计数值清0，这样分频器的输出就会每隔0.5s翻转一次，产生了一个1s的时钟。
Verilog代码如下：
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生1s的时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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、移位逻辑
有了1s的时钟信号以后，就在这个1s时钟信号的驱动下对输出的LED寄存器进行移位操作产生流水效果。
Verilog代码如下：
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：对输出寄存器进行移位产生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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
写好逻辑以后，为了确定时序是正确的，最好写一个测试文件对功能进行仿真，为了加快仿真速度，修改分频逻辑计数器的计数值为24，然后编写测试文件，测试文件中激励产生的Verilog代码如下：
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 ;
仿真的时序图如下图所示：
可以看到时序完全正确，接下来就是绑定管脚，生成bit文件下载到开发板测试了。
六、 进一步思考——C语言流水灯与Verilog流水灯区别
看完网上《Verilog那些事》系列博文以后，作者提出了一种“仿顺序操作”方法，其实以前自己写代码的时候无形之中一直在用这种思想，但是一直没有提炼出来，看完作者的介绍以后才发现确实是有那个“仿顺序”的味道。详细的博文请参考博客园博主akuei2的系列博文。这里我在总结一遍，给以后留个印象。
C语言实现流水灯的大致代码框架如下：
while(1)
{
1、让第1个LED亮，其他的灭；
2、延时1s
3、让第2个LED亮，其他的灭
4、延时1s
5、让第3个LED亮，其他的灭；
6、延时1s
7、让第4个LED亮，其他的灭
8、延时1s
}
在while(1)里面代码是一行一行的执行，最后一行执行完毕以后在回到第一行重新开始新一轮的执行。就这样产生了流水的效果。
看到这里，有人应该突然明白了吧，这不正好就是Verilog中的一个状态机么。对应的Verilog代码也可以写出来了
always @(posedge I_clk)
begin
case(R_state)
第1个状态：让第1个LED亮，其他的灭，下一状态是第2个状态；
第2个状态：延时1s，下一状态是第3个状态；
第3个状态：让第2个LED亮，其他的灭，下一状态是第4个状态；
第4个状态：延时1s，下一状态是第5个状态；
第5个状态：让第3个LED亮，其他的灭，下一状态是第6个状态；
第6个状态：延时1s，下一状态是第7个状态；
第7个状态：让第4个LED亮，其他的灭，下一状态是第8个状态；
第8个状态：延时1s，下一状态是第1个状态；
default ：；
endcase
end
具体的代码如下：
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：“仿顺序操作”
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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 ;
时序图如下图：
时序图仍然正确，实现了流水灯的效果
七、 总结
1、所谓的“仿顺序操作”实际上就是一个状态机，通过状态的跳变实现“顺序执行”的效果。这种思想在后面写接口时序的时候还是挺管用的，今后可以多多琢磨琢磨。
2、 C语言的while(1)和Verilog语言的always @(posedge I_clk)有类似的地方，只要CPU的时钟存在，它们就一直执行下去。书上都说C语言是一种串行语言，Verilog是一种并行语言，实际上这里也能有体会：C语言里只能有1个while(1)语句，进入while(1)以后CPU就出不来了，而Verilog中可以有多个always @(posedge I_clk)语句，并且每个always @(posedge I_clk)同时运行的，这就是两种语言最大的区别吧。
八、 附录
1、分频1s产生流水灯的完整代码
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：产生1s的时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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：对输出寄存器进行移位产生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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、 “仿顺序操作”产生流水灯完整代码
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：仿顺序操作
//////////////////////////////////////////////////////////////////
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、测试记录文件完整代码
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
审核编辑：汤梓红
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