Verilog & FPGA学习（一）-Toy模板网

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前言

最近心血来潮买了一块fpga，来自spieed的Tang Nano 9K，基于高云半导体 GW1NR-9 FPGA芯片。

其实之前买过一块紫光的fpga，但是嫌环境配置太麻烦就搁置了，这次换了一家的fpga，环境配置很快，直接用高云的gowin编译器就能很快实现程序编写与下载。但是这两天研究了很久，还是没搞太懂波形时序文件怎么生成和观看...

先不说这个了，其实fpga我之前已经接触过一个学期了，之前学习数电的时候，有相关实验已经接触过fpga了，而且已经能实现数码管的操控之类的功能了。但是，我们的fpga程序编写其实就是“画图”，在quartus将数电各个模块，计数器，寄存器进行个画图连接再编译最后烧录到fpga里，所以说，我们用fpga其实只是单纯学习数电罢了。也没接触Verilog进行程序的编写。

数电实验fpga

关于为什么想学Verilog和fpga

关于想学Verilog以及fpga其实要追溯到半年前，也就是23年暑假，缘由还真就是电赛。今年电赛H题，是信号分离类型的题目，听说就是如果用fpga做，非常快就能将这道题完成。

于是我开始对fpga感兴趣，再加上对数电本身就有兴趣的（数电好像是我专业课最高分的科目了）（最开始接触数电是在MC的红石电路里），于是就开始学习了。

流水灯点亮实验

Tang Nano 9K给了一个流水灯的例程，于是我对例程开始探索并且进行一些小改动。以下是流水灯点亮实验的Verilog代码。

module led (
    input sys_clk,          // clk input
    input sys_rst_n,        // reset input
    output reg [5:0] led    // 6 LEDS pin
);

reg [23:0] counter;

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        counter <= 24'd0;
    else if (counter < 24'd1349_9999)       // 0.5s delay
        counter <= counter + 1'b1;
    else
        counter <= 24'd0;
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        led <= 6'b111110;
    else if (counter == 24'd1349_9999)       // 0.5s delay
        led[5:0] <= {led[4:0],led[5]};
    else
        led <= led;
end

endmodule

接下来我就依照我的理解对此代码进行解析。

首先便是module和endmodule，在这里面包含着一个程序模块。module内括号的内容便是我们的输入和输出定义，不止有input和output类型，还有wire类型等，这些比较常用。我们定义了输入时钟sys_clk、输入复位信号sys_rst_n以及我们六个led的输出，这里我们用寄存器类型变量reg做一个六位数组，表示六个led输出。

出了括号，便是一个寄存器变量counter，我们用24位的长度进行存储这个数。

接下里便是两个always语句，表示一直循环执行，这个和C语言里的while很像，即符合条件遍进入括号里执行。

第一个always里有sys_clk和sys_rst_n，其中posedge表示上升沿，negedge表示下降沿，则进入这个always的条件是sys_clk信号的上升沿或者sys_rst_n信号的下降沿，即时钟上升沿，由于我们的复位按键信号常态为高电平，按下的时候变为低电平，则采用下降沿来进入。进入后，便是ifelse的判断，这也和C语言很像，在第一个if里，如果按键低电平，即按键按下时候，计数器清零，这符合复位的思想。之后便是对计数器counter的操作了，如果counter小于24'1349_9999这个数，我们看到这个数很复杂，但是依照我的理解是这样组成的：位数 + ' + 进制 + 数的大小 + _ +数的最大值，那么我们这个就是24位的十进制数1349，它的最大值为9999。我们的晶振频率是27MHz的，即输入频率的sys_clk也是27MHz，那么依照这个计数器，我们有0.5ms的延迟。

第二个always里便是对led灯进行操作了，最开始的时候，我们给led这个数组赋值为111110，即点亮led0（低电平点亮），之后，如果我们计时器计时到了，便循环左移，点亮led1，否则led不变，这样我们就可以依次循环点亮，形成流水灯。

这就是我们整个流水灯点亮实验的Verilog程序，通过烧录程序，我们最后可以在fpga上形成流水灯。

我的流水灯实验改进

以下是我对流水灯的拓展改进。

module led (
    input sys_clk,          // clk input
    input sys_rst_n,        // reset input
    input sys_key,
    output reg [5:0] led    // 6 LEDS pin
    
);

reg [23:0] counter;
reg flag = 1;


always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        counter <= 24'd0;
    else if (counter < 24'd0600_9999)       // 0.5s delay
        counter <= counter + 2'b01;
    else
        counter <= 24'd0;
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        led <= 6'b011111;
    else if (counter == 24'd0600_9999)       // 0.5s delay
        begin
        if(flag)
            led[5:0] <= {led[0],led[5:1]};
        else if (!flag)
            led[5:0] <= {led[4:0],led[5]};
        end
    else
        led <= led;
end

always @(posedge sys_key) begin
    if (!sys_key)
       flag = ~flag;
end

endmodule

我增加了一个输入按键以及调整了一下计数器的延时时间。其中通过按另外一个按键，可以实现流水灯的方向改变，这里我们采用一个reg寄存器变量flag作为标志位，在按下切换按键的时候，flag取反，进入另一个方向的流水灯。