Intel FPGA：线性序列机
前提摘要
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个人说明：
- 限于时间紧迫以及作者水平有限，本文错误、疏漏之处恐不在少数，恳请读者批评指正。意见请留言或者发送邮件至：“Email:noahpanzzz@gmail.com”。
- 本博客的工程文件均存放在：GitHub:https://github.com/panziping。
- 本博客的地址：CSDN:https://blog.csdn.net/ZipingPan。
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参考：
- 芯片型号：Intel EP4CE10F17C8(Cyclone IV E)
- 《数字电子技术基础》-阎石
- 《FPGA自学笔记—设计与验证》袁玉卓，曾凯锋，梅雪松
- 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻
- 《Verilog HDL 高级数字设计》Michael D.Ciletti
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（基础篇）王欣 王江宏等
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（高级篇）王江宏 蔡海宁等
- 《综合与时序分析的设计约束 Synopsys设计约束（SDC）实用指南》Sridhar Gangadharan
正文
点亮LED灯
硬件资源
由原理图可知，FPGA的IO口输出低电平，则LED点亮。
程序编写
module led_test(
led
);
output led;
assign led = 1'b0;
endmodule
点亮LED灯进阶
将LED点亮200ms，熄灭800ms。
程序编写
module led_test(
clk,
rst_n,
led
);
input clk;
input rst_n;
output reg led;
reg [27:0] r_led_cnt;
localparam LED_CNT_MAX = 28'd50_000_000;
localparam LED_CNT_TURN = 28'd40_000_000;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
r_led_cnt <= 'd0;
else if(r_led_cnt == LED_CNT_MAX-1)
r_led_cnt <= 'd0;
else
r_led_cnt <= r_led_cnt + 1'd1;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
led <= 1'd1;
else if(r_led_cnt == LED_CNT_TURN-1)
led <= 1'd0;
else if(r_led_cnt == LED_CNT_MAX-1)
led <= 1'd1;
else
led <= led;
end
endmodule
波形图
由上述实验可以发现，通过计数器可以产生一个占空比不是50%的周期信号。那么是不是由此可以引申，通过计数器对时钟计数，产生一串带有数字信息的信号。
线性序列机（LSM）
产生一段信号，包含的内容为11011010，每个码元所占用的时间为50us。
module tx_test(
clk,
rst_n,
tx
);
input clk;
input rst_n;
output reg tx;
reg [15:0] r_tim_cnt;
localparam TIM_CNT_MAX = 16'd20_000;
localparam DATA0 = 16'd2_500;
localparam DATA1 = 16'd5_000;
localparam DATA2 = 16'd7_500;
localparam DATA3 = 16'd10_000;
localparam DATA4 = 16'd12_500;
localparam DATA5 = 16'd15_000;
localparam DATA6 = 16'd17_500;
localparam DATA7 = 16'd20_000;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
r_tim_cnt <= 'd0;
else if(r_tim_cnt == TIM_CNT_MAX-1)
r_tim_cnt <= 'd0;
else
r_tim_cnt <= r_tim_cnt + 1'd1;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
tx <= 1'd1;
else if(r_tim_cnt == DATA0 - 1'd1)
tx <= 1'd0;
else if(r_tim_cnt == DATA1 - 1'd1)
tx <= 1'd1;
else if(r_tim_cnt == DATA2 - 1'd1)
tx <= 1'd0;
else if(r_tim_cnt == DATA3 - 1'd1)
tx <= 1'd1;
else if(r_tim_cnt == DATA4 - 1'd1)
tx <= 1'd1;
else if(r_tim_cnt == DATA5 - 1'd1)
tx <= 1'd0;
else if(r_tim_cnt == DATA6 - 1'd1)
tx <= 1'd1;
else if(r_tim_cnt == DATA7 - 1'd1)
tx <= 1'd1;
else
tx <= tx;
end
// always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
// if(!rst_n)
// tx <= 1'd1;
// else
// case(r_tim_cnt)
// DATA0-1'd1: tx <= 1'd0;
// DATA1-1'd1: tx <= 1'd1;
// DATA2-1'd1: tx <= 1'd0;
// DATA3-1'd1: tx <= 1'd1;
// DATA4-1'd1: tx <= 1'd1;
// DATA5-1'd1: tx <= 1'd0;
// DATA6-1'd1: tx <= 1'd1;
// DATA7-1'd1: tx <= 1'd1;
// default:tx <= tx;
// endcase
// end
//
endmodule
波形图
由上述实验可以发现，通过线性序列机产生了8bits（11011010）的信号。那么是不是对于串行信号都可以通过线性序列机进行输出。
数码管驱动
上述是线性序列机（LSM）的简单应用。
这一部分展示线性序列机应用在数码管驱动电路中（完整请见(Intel FPGA (3)：数码管显示)），需要通过线性序列机产生三个信号seg_sclk（sh_cp）,seg_rclk（st_cp）,seg_dio(ds)。
波形图
程序编写
module hc595_driver(
clk,
rst_n,
seg_data,
seg_data_valid_go,
seg_sclk,
seg_rclk,
seg_dio
);
input clk;
input rst_n;
input [15:0] seg_data;
input seg_data_valid_go;
output reg seg_sclk;
output reg seg_rclk;
output reg seg_dio;
reg [15:0] r_seg_data;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
r_seg_data <= 'd0;
else if(seg_data_valid_go == 1'b1)
r_seg_data <= seg_data;
else
r_seg_data <= r_seg_data;
end
localparam DIV_CNT_MAX = 4; //fsh_cp = 6.25MHz
reg [2:0] r_div_cnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
r_div_cnt <= 'd0;
else if(r_div_cnt == DIV_CNT_MAX -1)
r_div_cnt <= 'd0;
else
r_div_cnt <= r_div_cnt + 1'b1;
end
wire w_sclk_pluse; //SH_CP
assign w_sclk_pluse = (r_div_cnt == DIV_CNT_MAX -1) ? 1'b1 :1'b0;
reg [4:0] r_sclk_edge_cnt; //SH_CP
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
r_sclk_edge_cnt <= 'd0;
else if(w_sclk_pluse == 1'b1)
if(r_sclk_edge_cnt == 5'd31)
r_sclk_edge_cnt <= 'd0;
else
r_sclk_edge_cnt <= r_sclk_edge_cnt + 1'd1;
else
r_sclk_edge_cnt <= r_sclk_edge_cnt;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
seg_sclk <= 1'd0;
seg_rclk <= 1'd0;
seg_dio <= 1'd0;
end
else begin
case(r_sclk_edge_cnt)
5'd0 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_rclk = 1'b1; seg_dio = r_seg_data[15]; end //Q2H(HEX_DP)
5'd1 : begin seg_sclk = 1'b1; seg_rclk = 1'b0; end
5'd2 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[14]; end //Q2G(HEX_G)
5'd3 : begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd4 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[13]; end //Q2F(HEX_F)
5'd5 : begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd6 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[12]; end //Q2E(HEX_E)
5'd7 : begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd8 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[11]; end //Q2D(HEX_D)
5'd9 : begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd10: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[10]; end //Q2C(HEX_C)
5'd11: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd12: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[9]; end //Q2B(HEX_B)
5'd13: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd14: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[8]; end //Q2A(HEX_A)
5'd15: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd16: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[7]; end //Q1H(HEX_SEL7)
5'd17: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd18: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[6]; end //Q1G(HEX_SEL6)
5'd19: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd20: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[5]; end //Q1F(HEX_SEL5)
5'd21: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd22: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[4]; end //Q1E(HEX_SEL4)
5'd23: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd24: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[3]; end //Q1D(HEX_SEL3)
5'd25: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd26: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[2]; end //Q1C(HEX_SEL2)
5'd27: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd28: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[1]; end //Q1B(HEX_SEL1)
5'd29: begin seg_sclk = 1'b1; end
5'd30: begin seg_sclk = 1'b0; seg_dio = r_seg_data[0]; end //Q1A(HEX_SEL0)
5'd31: begin seg_sclk = 1'b1; end
default:;
endcase
end
end
endmodule
总结
线性序列机可以画出任意波形的数字信号！常用作为最低层RTL设计。
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