FPGA极易入门教程----LED篇（1）跑马灯（流水灯）跑起来

这篇文章可能会帮助您：1、初步了解并行设计的思想及与串行设计的区别；2、如何实现多个LED的流动显示。

孤独的单刀

15526人浏览 · 2021-12-15 22:59:42

孤独的单刀 · 2021-12-15 22:59:42 发布

1、LED的基本原理

LED，又名发光二极管。LED灯工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光），抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。由于这些优点，LED灯被广泛用在仪器仪表中作指示灯、液晶屏背光源等诸多领域。不同材料的发光二极管可以发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白这八种颜色的光。下图是可以发出黄、红、蓝三种颜色的直插型二极管实物图，这种二极管长的一端是阳极，短的那端是阴极。

下图是开发板上用的贴片发光二极管实物图。贴片二极管的正面一般都有颜色标记，有标记的那端就是阴极。

发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性。给它加上阳极正向电压后，通过5mA左右的电流就可以使二极管发光。通过二极管的电流越大，发出的光亮度越强。不过我们一般将电流限定在3~20mA之间，否则电流过大就会烧坏二极管。

2、串行与并行实现的区别

大多数开发板的LED都是设计成阴极接地，而阳极接到FPGA（或者单片机）的IO管脚上，所以我们只需要对IO口赋值即可实现LED的亮灭（赋值高电平==LED亮；赋值低电平==LED灭）。相信大多数同学都有C语言和单片机的基础（什么？你没有？那你还不去学），所以我们先来看一下单片机完成流水灯是怎么做的：

#include<reg52.h>

#define uchar  unsigned char
#define uint   unsigned int 
 
sbit LED1 = P2^0;
sbit LED2 = P2^1;
sbit LED3 = P2^2;
sbit LED4 = P2^3;
sbit LED5 = P2^4;
sbit LED6 = P2^5;
sbit LED7 = P2^6;
sbit LED8 = P2^7;
 
void delay(uint z)
{
	uint x,y;
	for(x = 0; x < z; x++)
		for(y = 0; y < 113; y++);
}
 
void main(void)
{
	while(1)
	{
		LED1 = 0;           //灯亮
		delay(1000);        //持续亮1s
		LED1 = 1;           //灯灭
		delay(1000);        //持续灭1s
		LED2 = 0;
		delay(1000);
		LED2 = 1;
		delay(1000);
		LED3 = 0;
		delay(1000);
		LED3 = 1;
		delay(1000);
		LED4 = 0;           //灯亮
		delay(1000);        //持续亮1s
		LED4 = 1;           //灯灭
		delay(1000);        //持续灭1s
	}	 
}

直接看main函数：串行设计的流水灯是怎么实现的呢？

1、首先点亮第1个LED----延时1s----熄灭第1个LED；
- 2、然后点亮第2个LED----延时1s----熄灭第2个LED；
  - 3、然后点亮第3个LED----延时1s----熄灭第3个LED；
    - 4、最后点亮第4个LED----延时1s----熄灭第4个LED；

可以看到整个结构都是顺序执行下来的，即符合单片的顺序结构，也非常契合人类的思维方式。那么FPGA不是顺序结构的，而是并行结构，无法直接一条一条指令地执行，那么该如何实现流水灯？

FPGA的工作是无法离开时钟的（组合逻辑除外）。我们可以设计一个always块，实现计数（或者说是计时）功能：每来一个时钟，让寄存器cnt的值累加1，直到加到预先设计的阈值再从0开始循环。假设FPGA的工作频率是50M，那么周期就是20ns。要实现计数到1s，则需要计数1s/20ns = 50_000_000次。所以我们的计时模块，就从0计数到50_000_000 – 1，即可实现计数1s。

同时我们再设计一个always块（LED显示），每当计数模块计数到了1s，就让LED的输出变化一次。比如初始显示最右边的LED，第1s到来时切换显示右边数第2个LED；第2s到来时切换显示右边数第3个LED；第3s到来时切换显示最左边的LED。这样就可以实现LED的流水显示了。

从上面的分析，可以通过流程图来直观感受串行设计与并行设计的不同：

3、流水灯的具体实现

第二章实际上已经把流水灯的实现方法阐明了：

构造一个计时器，循环计时1s
构造显示的always块，每当计数器计时到1s，则切换LED显示状态

1s计时器

上面算了在50M的时钟频率下，计数到1s需要计数50000000次，这个数转换成二进制需要26位才能表示，所以寄存器cnt的位宽是26位，如下：

reg	[25:0]	cnt;									//1s计时器

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		cnt <= 26'd0;								//复位为0
	else if(cnt == 50_000_000 - 1)					//计数到1s
		cnt <= 26'd0;								//清零计数器
	else											//计数不到1s
		cnt <= cnt + 1'd1;              			//计数器每个周期累加1
end

LED显示

每当计数器计时到1s，则切换LED显示状态：第一次只显示最右边的LED1，下一次显示LED2，再下一次显示LED3，下一次显示LED4，然后重复显示LED1，如此循环，如下图所示：

该部分代码如下：

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		led <= 4'b0001;								//复位为最右边的点亮
	else if(cnt == 50_000_000 - 1)					//计数到1s
		//拼接运算。把最高位（最左边的LED）移动到最低位，第2、1、0位作为整体向左移动一位
		led <= {led[2:0],led[3]};		
	else											//计数不到1s	
		led <= led;	                    			//保持LED状态不变
end

需要注意的是：我们是使用移位运算符来实现LED的循环移位：把右边三位【2：0】变成高3位【3：1】，而最高位【3】变成最低位【0】，即可显示LED显示的整体左移。

完整代码如下;

//**************************************************************************
// *** 名称 : led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯，循环左移
//**************************************************************************

module led_flow
//============================< 信号 >======================================
(
//时钟和复位 --------------------------------------------
input					sys_clk               	,   //系统时钟50M
input					sys_rst_n               ,   //低电平有效的异步复位
//DDR3写 ------------------------------------------------
output	reg	[3:0]		led                			//LED的赋值电平
);

reg	[25:0]	cnt;									//1s计时器

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		cnt <= 26'd0;								//复位为0
	else if(cnt == 50_000_000 - 1)					//计数到1s
		cnt <= 26'd0;								//清零计数器
	else											//计数不到1s
		cnt <= cnt + 1'd1;              			//计数器每个周期累加1
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		led <= 4'b0001;								//复位为最右边的点亮
	else if(cnt == 50_000_000 - 1)					//计数到1s
		//拼接运算。把最高位（最左边的LED）移动到最低位，第2、1、0位作为整体向左移动一位
		led <= {led[2:0],led[3]};		
	else											//计数不到1s	
		led <= led;	                    			//保持LED状态不变
end

endmodule

4、仿真测试

进行仿真测试的时候，我们把代码稍微改下：1s计时模块改成1ms计时模块，即50_000_000改为50_000。原因是若计时1s则仿真需要的时间太长。仿真的testbench比较简单，只需要提供时钟和复位激励即可，如下：

//**************************************************************************
// *** 名称 : tb_led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯，循环左移的测试模块
//**************************************************************************

`timescale 1ns/1ns		//时间单位/精度

//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module	tb_led_flow();

reg 			sys_clk;
reg 			sys_rst_n;

wire	[3:0]	led;

//------------<例化被测试模块>----------------------------------------
led_flow	led_flow_inst(
	.sys_clk	(sys_clk	),
	.sys_rst_n	(sys_rst_n	),

	.led       	(led		)
);

//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial begin
	sys_clk = 1'b0;					//初始时钟为0
	sys_rst_n <= 1'b0;				//初始复位
	#5								//5个时钟周期后
	sys_rst_n <= 1'b1;				//拉高复位，系统进入工作状态
	
end
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 sys_clk = ~sys_clk;		//系统时钟周期20ns

endmodule

使用modelsim执行仿真，仿真结果如下：