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fpga四个数码管循环显示数字，浅谈34

小君 595

fpga四个数码管循环显示数字，浅谈34assign hb_led = cnt[23];cnt = cnt 1'b1;是的，我就是这么看重它的 - LED就是相当于数字逻辑的“示波器”。所以，我在每一个FPGA程序里面（无论多简单的功能），逻辑体的头4行必定是：reg [23:0] cnt;always @(posedge clk_in)

我们最常见到的电子元器件是什么，无疑是LED，在我们的生活中它无处不在，比如手机的背光、汽车的头灯、几乎所有的照明也都是LED的了。

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当然，对于我们做硬件的“板农”来讲 哪个板子通上电以后没有俩LED在亮，你心里一定发毛 - 电源短路了？程序挂了？

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只要电源灯亮了，心理就踏实了.....3.3V在正常工作。状态指示灯只亮可能还不够，因为它的表情应该非常丰富，不同的节奏可能代表不同的状态，你需要根据其闪烁的节奏来判断系统所处的状态，用过树莓派的同学都知道，在你插上电的那一刻起，树莓派的状态等就各种花式变换。

简单的一颗灯，一颗单色的灯，就能给你提供非常丰富的信息，像不像我们常用的示波器、电压表？

是的，我就是这么看重它的 - LED就是相当于数字逻辑的“示波器”。所以，我在每一个FPGA程序里面（无论多简单的功能），逻辑体的头4行必定是：

reg [23:0] cnt;

always @(posedge clk_in)

cnt = cnt 1'b1;

assign hb_led = cnt[23];

为何？看到灯按照我设定的频率闪了，我心理踏实，就像听到了电路的心跳（hb = heart beat：心跳），知道编译对了、管脚分配对了、时钟是有的...

所以，数字逻辑编程要先植入一个LED灯的程序。

当然，就像程序员学习任何一门语言，必然先打印出"Hello World"一样，FPGA的学习要先从点亮LED开始！

点亮了灯，你也就有了探头，也就能够通过它一窥神秘的FPGA内部的脉搏。

同样，在我们这个学期的“数字电路”学习的系列文章中，我们也先从点亮LED入手。

点亮LED

就像软件编程里的“Hello World”，点灯是FPGA学习的第一步，不要小瞧这么一颗小小的灯，点灯的方式可以有多种。在本节，我们通过4个点灯的程序达到以下的目标：

  1. 体验LED的工作原理；
  2. 了解Verilog代码的结构和基本的语法规范
  3. 体会HDL语言中的bit和FPGA端口电信号的关系
  4. 体验FPGA设计从创建工程 –》 输入代码 –》 逻辑综合 –》 分配管脚 –》 生成可下载的JED文件 –》 配置FPGA整个过程（理论知识参见FPGA设计流程）

在本实例中，我们以Web IDE（www.stepfpga.com）为例，同样的示例也可以通过Lattice的官方FPGA设计工具Diamond或Intel的官方设计工具quartus_prime来实现，只是要注意这些工具的使用方法和管脚的正确分配。

1. 硬件说明

在这个实验中，我们主要用到小脚丫FPGA开发板上的以下几个外设：

  • 板上有8个LED灯，可以选用其中的任何一个做单LED的实验

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这是开发板上的8个红色LED，LED1~8信号连接到FPGA的引脚，作为FPGA输出信号控制。当FPGA输出低电平时LED变亮，当FPGA输出高电平时LED熄灭。

  • 板上由2个三色LED（R-红色、G-绿色、B-蓝色），每个三色灯相当于3个独立的、不同颜色的LED组合成的，如果与三色灯保持一定的观察距离，一个三色灯里的两种以上LED点亮即可组合成其它颜色，在此只是粗略地合成，如果要精确合成不同的颜色，需要精密控制流经R、G、B上每个灯的电流（取决于灯的特性、串联的限流电阻以及控制这些管脚开关的PWM的占空比，这个以后再讲）

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这是开发板上的2个三色LED，(R_LED1 G_LED1 B_LED1) (R_LED2 G_LED2 B_LED2)信号连接到FPGA的引脚，作为FPGA输出信号控制。当FPGA输出低电平时，相应的LED变亮，当FPGA输出高电平时LED熄灭。

  • 板上有4个按键和4个开关，用做输入控制，按键和开关的使用方式是有区别的，大家可以通过具体的使用来体会

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这是开发板上4个按键和4个开关，Key1~4是按键控制信号，SW1~4是开关控制信号，都连接到FPGA的引脚，作为FPGA的输入信号。当按键断开时，FPGA输入为高电平，当按键按下时，FPGA输入为低电平；当开关断开（OFF）时，FPGA输入为低电平，当开关合上（ON）时，FPGA输入为高电平。所以我们可以用开关或者按键来控制LED的亮灭。

2. 点亮一颗LED

根据Web IDE的使用流程介绍，我们先创建一个叫one_led_on_off的工程，并在该工程里面创建一个叫one_led_on.v的代码（代码名字跟工程的名字不需要一致）：

module one_led_on(led);

output led;

assign led = 1'b0;

endmodule

这段代码可以说是最简单的一段Verilog程序了，从这段程序中可以看出Verilog语言的基本结构

  • 以module（模块）开始、endmodule结束的一段程序为描述某一项功能的基本单元，类似基于对象编程软件里面的“类”，写一次可以被多次调用。简单的设计可能只需要一个module来包含所有的逻辑功能，复杂的设计可能就需要多个module，它们通过module的端口信号互相连接起来，它们可以并行执行。模块化的好处就是你可以直接调用别人封装好的module来使用；
  • 每个模块都有其名字，建议用贴切含义的英文来命名（比如本示例里面的one_led_on)，可读性强，也不会出现莫名其妙的编译错误;
  • 每个模块都有用( )包裹起来的端口 - 跟其它模块或FPGA的外围电路打交道的输入输出信号，在本示例只用了一个端口led，因此( )中只有一个端口的名字；
  • 对每一个端口的属性进行定义 - 是输入还是输出，如果是内部信号，它们是导线wire类型，还是存储器reg类型？在这里只用了一个输出端口led，对其属性“output”进行了定义，指定其为输出信号；
  • 定义完端口，就开始逻辑的主体，在这里也很简单，只是让led这个管脚信号为低电平，使用连续赋值的assign语句 - assign led = 1'b0 1’b0表示为一位的数字，而且值为“0”。从电路结构角度讲，每个连续赋值语句对应一个子模块，其左侧的变量表示为电路的输出，右侧的逻辑表达式为电路需要执行的逻辑操作。

点击Web IDE的第二个功能键“逻辑综合”，系统会自动将你写好的Verilog代码进行综合，如果没有语法错误，则给你一个Success的信息，你就可以走到下一步 - “管脚分配”了。我们的Web IDE会根据你写好的module自动提取输入输出管脚的名字，你只要使用鼠标，通过图形化的界面将这些module里的端口信号的名字映射到相应的管脚上即可，在这里我们将led映射到板子上的第三个led，鼠标指向led3，其右侧会弹出一个向下的箭头，点击该箭头，就可以看到led的名字了（如果多个端口还没有分配管脚，这些未分配的端口信号的名字会出现在列表中），选中led，完成映射。

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在“管脚分配”里将第三颗LED配置为亮 （ON），分配了管脚的地方会亮起来

点击“FPGA映射”，系统会自动根据你分配好的管脚执行，生成JED文件，如果没有错误，会列出一堆的信息后，告诉你生成了jed的文件，在这段信息中也会有详细的资源使用报告，这些资源报告的信息也是很重要的，为完成同样一个功能，不同的人写出来的逻辑占用的资源也是不同的。

这时候您可以点击“文件下载”，选择第二个按钮“下载JED文件”，鼠标右键 –》另存为。。。指向到StepFPGA的盘即可完成对FPGA的下载编程。

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配置到FPGA以后的效果，第三颗LED灯亮

3. 点亮多颗LED

正如上所述，我们小脚丫FPGA板上有8颗LED和2颗3色LED，总计8 6=14颗，我们通过逻辑让某些灯亮，某些灯灭，看看代码如何写，实际的效果如何？比如：

  • 8颗LED灯中的1、2、5、6、8亮
  • 第一个RGB灯中的绿色灯亮
  • 第二个RGB灯中的蓝色灯亮
  • 其它灯都关掉

代码如下：

module one_led_on(led led_r1 led_g1 led_b1 led_r2 led_g2 led_b2);

output [8:1] led; // define 8 led signals to be output

output led_r1 led_g1 led_b1;

output led_r2 led_g2 led_b2;

assign led_r1=1'b1; // set signal of this pin = 1 to turn off the led connected to this pin

assign led_g1=1'b0; // make the green led on

assign led_b1=1'b1;

assign led_r2=1'b1;

assign led_g2=1'b1;

assign led_b2=1'b0; // make the blue led on

assign led = 8'b01001100; // set bit 8 6 5 2 1 = 0 to make led 8 6 5 2 1 on

endmodule

Verilog语法说明：

  • 此模块增加了一些管脚，需要对每一个管脚做端口说明（目前都还是”输出“的属性），并对每个管脚的信号电平进行赋值，对应于“亮”的LED赋值为0， 对应于“灭”的LED赋值为1。每一个连续赋值语句对应于一个电路结构，这些电路都是并行执行的，因此语句的顺序不会影响到最终的综合结果，这是与单片机的程序（顺序执行）不同的地方；
  • 8个LED可以分别写在端口里，并逐个赋值，也可以以8位位宽的向量方式来定义，在端口了只需要写一个led的名字即可，在端口定义的部分指定有多少个位 - [8:1] led 为8位，名字分别外led[8] (对应于LED8)….led[1]（对应于LED1）；
  • 一个好的代码，要对一些重要的信息给出“注释”说明，单行注释可以用//的方式，//后面的部分为注释内容。多行注释（又被称为块注释）以两个字符/* 开始，并以*/结束，其中的多行内容都会被认为是注释内容，在仿真或综合的时候被忽略掉。为增强可读性和兼容性，注释部分最好用英文来写。

管脚分配图如下：

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8颗单色的LED和两颗的3色LED都被分配了管脚

下载到小脚丫FPGA板子上，实际的效果验证：

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将JED文件下载到FPGA板子以后的效果

4. 开关控制LED的亮和灭

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Verilog语法说明：

  • 规范的代码需要对该模块进行充分的注释说明，因此在此段代码的前部，我们增加了更详细的信息 - 文件名、作者、日期、简单的描述、版本号等等，这些信息对于代码的管理和控制是非常有必要的，因此要养成良好的习惯。我们硬禾实战营在学员的培训过程中专门制定了一套代码规范 - 硬禾实战营FPGA代码规范；
  • 虽然使用的输入输出端口多了，代码却变简单了，这是因为用到的信号都是可以以向量的方式进行定义和操作的，比如4个按键、4个开关和8个LED，只有三种不同性质的端口，而且这三种端口之间的逻辑关系非常清晰；
  • 最后的assign语句中用到了拼接符{ }，key的4位和sw的4位拼接在一起，映射到led的8位上。

管脚分配如下：

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将模块端口的16个信号分别分配给8个LED和4个按键、4个开关

用开关和按键可以控制LED的on/Off 正常开关和按键的状态都为高电平，8个LED都处于灭的状态，改变开关和按键的装填可以让LED亮起来，按键、开关和LED一一对应。

5. 开关控制LED的颜色组合

从逻辑的角度，这段代码跟第4节的代码没什么区别，用了一个三色LED灯代替8个单色的灯，目的是为了让大家通过实际的效果体会一下三色灯的颜色搭配。

代码见下：

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分配一下管脚：

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一颗RGB和3个开关被映射到端口信号上

6. 小结

通过4段代码，我们体验了对LED的开关控制以及最基本的Verilog语法要求和代码构成，以及开关和按键的控制差异，这为后期的输入输出控制、状态输出展示打下了基础。

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