任务描述
根据所学的FPGA相关知识完成花样流水灯的设计，使用verilog HDL相关语言，编程实现对四个LED灯的控制，要求完成至少五种流水灯的闪烁方案设计。编写仿真代码，测试正确性。
实验目的
1、学习ISE Design Suite 14.7的基本操作；
2、掌握FPGA的开发流程；
3、学习时序电路的设计；
4、巩固状态机的相关知识。
实验原理
本次实验将通过时间来控制流水灯闪烁的样式。在本次实验中，我设定每个LED灯可以保持发亮状态500ms，我们有四个LED灯，因此通过计算，每一个闪烁样式需要2000ms的时间。所以，我们设定，每当计时器记到2000ms时，自动跳转到下一个闪烁样式的状态。
本次实验中，我们使用状态机来控制流水灯不同闪烁样式之间的转变。状态机是一种能够描述具有逻辑顺序和时序顺序事件的方法，特别适合用于描述存在先后顺序以及其他规律性的事件。
根据对该实验要求的分析，设计状态转移图如下：
其中，在S1状态下LED灯从左往右依次亮；在S2状态下LED灯从右往左依次亮；在S3状态下LED灯从中间向两边扩散亮；在S4状态下LED灯从两边向中间收敛亮；S5状态即为LED灯跳变亮。
实验过程
新建工程
*双击桌面快捷图标，打开ISE Design Suite 14.7软件，新建工程项目，点击File—>New Project
*工程项目命名
将该项目命名为：EDA_liushuideng,随后点击Next
*根据开发板选择硬件配置,具体配置要求请参考下图。再点击Next
*点击Finish，完成新工程的准备工作。
编写.v文件代码
*.v文件命名
完成新工程项目建立后，进入如下界面
右击EDA_liushuideng—>New Source
选择Verilog Module—>在File name对话框中键入.v文件名称—>Next，在本次实验中，我将其命名为：LED，
直接点击Next，进入下一个对话框。
选择Finish。至此，新.v文件的命名步骤完成。
编写代码
根据题目要求，使用Verilog HDL语言编写相关代码。
module LED(
input wire clk ,
input wire rst_n ,
output reg [3:0] led
);
//闪烁状态
parameter S1 = 4'b0000;
parameter S2 = 4'b0001;
parameter S3 = 4'b0010;
parameter S4 = 4'b0100;
parameter S5 = 4'b1000;
reg [3:0] current_state; //现状态
reg [3:0] next_state; //次状态
reg [2:0] mode;//具体led灯闪烁控制位
reg [25:0] cnt;
reg [2:0] counter;
//500ms
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
cnt <= 26'd0;
end
else begin
if(cnt == 26'd25_000_000 - 1)begin
cnt <= 26'd0;
end
else begin
cnt <= cnt + 26'd1;
end
end
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
counter <= 3'b0;
else if(cnt == 26'd25_000_000 - 1)
counter <= counter +3'b1;
else if (counter == 3'b100)
counter <= 3'b0;
else
counter <= counter;
end
//四个LED灯控制位
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
mode <= 3'b0;
end
else if(cnt == 26'd25_000_000 - 1)
mode <= mode + 3'b1;
else if(mode == 3'b100)
mode <= 3'b0;
else
mode <= mode;
end
//次态赋值给现态
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
current_state <= S1;
end
else begin
current_state <= next_state;
end
end
//状态转移
always@(*)begin
case(current_state)
S1 : begin
if(counter == 3'b100)
next_state = S2;
else
next_state = S1;
end
S2 : begin
if(counter == 3'b100)
next_state = S3;
else
next_state = S2;
end
S3 : begin
if(counter == 3'b100)
next_state = S4;
else
next_state = S3;
end
S4 : begin
if(counter == 3'b100)
next_state = S5;
else
next_state = S4;
end
S5 : begin
if(counter == 3'b100)
next_state = S1;
else
next_state = S5;
end
endcase
end
//输出
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
led <= 4'b1111;
end
else begin
case(current_state)
S1 :begin //左移
case(mode)
2'b00: led <= 4'b1110;
2'b01: led <= 4'b1101;
2'b10: led <= 4'b1011;
2'b11: led <= 4'b0111;
default:led <= 4'b1110;
endcase
end
S2 :begin //右移
case(mode)
2'b00: led <= 4'b0111;
2'b01: led <= 4'b1011;
2'b10: led <= 4'b1101;
2'b11: led <= 4'b1110;
default:led <= 4'b0111;
endcase
end
S3 :begin //扩散
case(mode)
2'b00: led <= 4'b1111;
2'b01: led <= 4'b1001;
2'b10: led <= 4'b0110;
2'b11: led <= 4'b1111;
default:led <= 4'b1111;
endcase
end
S4 :begin //收敛
case(mode)
2'b00: led <= 4'b1111;
2'b01: led <= 4'b0110;
2'b10: led <= 4'b1001;
2'b11: led <= 4'b1111;
default: led <= 4'b1111;
endcase
end
S5 :begin //跳变亮
case(mode)
2'b00: led <= 4'b0111;
2'b01: led <= 4'b0101;
2'b10: led <= 4'b0001;
2'b11: led <= 4'b0000;
default: led <= 4'b1111;
endcase
end
endcase
end
end
endmodule
运行代码
代码编写完成之后，点击Implement Top Module，检查代码是否存在错误。
若存在错误，根据提示更正错误后，再次点击Implement Top Module，直到代码正确无误。
仿真测试
在代码运行没有语法错误后，编写仿真文件代码来测试运行结果能否达到预期效果。
新建仿真测试文件
*点击Simulation
*右击LED（LED.v）—>选择New Source
*选择Verilog Test Fixture—>在File name的对话框中输入仿真测试文件名称—>Next，在本次实验中，我将其命名为:LED_text。
点击Next
点击Finish
编写.v仿真测试文件代码
完成仿真测试文件命名之后，进入对话框，编写仿真测试文件代码。
module LED_text;
// Inputs
reg clk;
reg rst_n;
// Outputs
wire [3:0] led;
// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
LED uut (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.led(led)
);
initial begin
// Initialize Inputs
clk = 0;
rst_n = 0;
// Wait 100 ns for global reset to finish
#100;
rst_n = 1;
// Add stimulus here
end
always#10 clk = ~clk; //20ns
endmodule
完成仿真测试代码编写后，点击Behavioral Check Syntax运行仿真文件，检查是否存在错误。若存在错误，更改后重新编译直到语法正确无误，再点击Simulate Bhaviral Model查看仿真波形图。
查看仿真波形图
从左往右依次亮
根据仿真波形图可以直观地看出，第一个500ms内，最右边的LED亮起。随后在第二个500ms内，最右边的LED熄灭，从右往左数第二个LED灯亮起。在第三个500ms内，最右边的LED依旧保持熄灭状态，从右往左数第二个LED灯也熄灭，从右往左数第三个LED灯亮起。在第四个500ms内，最左边的LED灯亮起，其他三个LED灯保持熄灭状态。满足了我们实验最初的设想，四个LED灯从左往右依次亮起。
从右往左依次亮
根据仿真波形图可以直观地看出，第五个500ms内，最左边的LED亮起。随后在第六个500ms内，最左边的LED熄灭，从左往右数第二个LED灯亮起。在第七个500ms内，最左边的LED依旧保持熄灭状态，从左往右数第二个LED灯也熄灭，从左往右数第三个LED灯亮起。在第八个500ms内，最右边的LED灯亮起，其他三个LED灯保持熄灭状态。满足了我们实验最初的设想，完成状态S1的流水灯样式后，直接进入状态S2，四个LED灯从右往左依次亮起。
从中间向两边扩散亮
根据上面仿真波形图可以直观地观察到，在第九个500ms内，所有地LED灯均保持熄灭状态。然后，在进入第十个500ms后，中间两个LED灯亮起，最左边和最右边地LED灯仍然保持熄灭状态。在进入，第十一个500ms后，中间的两个LED灯熄灭，最左边和最右边的LED灯亮起。然后，在进入第十二个500ms后，所有的LED灯熄灭。分析仿真波形图，实验结果达到预期效果。
从两边向中间收敛亮
据上面仿真波形图可以直观地观察到，在第十三个500ms内，所有地LED灯均保持熄灭状态。然后，在进入第十四个500ms后，中间两个LED灯保持熄灭状态，最左边和最右边地LED灯亮起。在进入，第十五个500ms后，中间的两个LED灯亮起，最左边和最右边的LED灯熄灭。然后，在进入第十六个500ms后，所有的LED灯熄灭。分析仿真波形图，实验结果达到预期效果。
跳变亮
关于状态S5，实验之前我们设计最开始最左边的LED亮起，并且一直保持到该状态结束，随后是从左往右数第三个LED灯亮起，并保持到该状态结束，接下来从左往右数的第二个LED灯亮起，也需要保持到该状态结束，最后是最右边的LED灯亮起，所以在该状态下，所有的LED灯均处于发光状态。分析上诉仿真波形图，可以发现实验结果满足我们对于该状态的预期设计。
在状态S5结束后，跳转到状态S1，进入下一轮循环。分析上诉仿真波形图，可以发现在完成状态S5后，LED灯又进入了状态S1，所有LED灯从右往左依次亮起，满足实验预期效果。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-793378.html
实验总结
通过本次实验，我掌握了FPGA的开发流程，同时也熟悉了ISE Design Suite 14.7的基本操作，也巩固了状态机的相关知识。
这一次设计的花样流水灯，只有4个LED灯，可实现的闪烁样式较少。本次设计的花样流水灯完全由时间控制状态的转移，以及LED灯的亮灭状态。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-793378.html
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