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数逻实验1——手搓一个可控流水灯

设计文件flowing_water_lights.v

第一行

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timescale 1ns / 1ps

  • timescale指令定义了仿真时间单位和时间精度。这里时间单位为1纳秒，精度为1皮秒。

  • 简单理解，这句话告诉计算机我们的设计是在以纳秒为单位进行计时，精度达到皮秒。

模块声明与参数部分

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module flowing_water_lights_v2
#(
    parameter FREQ0 = 32'd1000000,
    parameter FREQ1 = 32'd10000000,
    parameter FREQ2 = 32'd25000000,
    parameter FREQ3 = 32'd50000000
)

  • module flowing_water_lights_v2：这一行定义了我们的模块名字是 flowing_water_lights_v2，相当于在写一个小程序（模块），名字叫“流水灯程序”。

  • #(…) 是用来定义参数的部分：

  • parameter 表示这是一个可以改变的值，用来控制一些特定功能。
    FREQ0, FREQ1, FREQ2, FREQ3 这些都是频率值，用来控制灯的闪烁速度（可以想象成灯亮灭的速度）。数字 32’d 是表示这是32位的十进制数。例如，32’d1000000 就是 1000000 的十进制数。

时间周期和频率

如果时钟信号 clk 为 100 MHz，即每秒钟有 100,000,000 个时钟周期，如果FREQ0的大小为1000000，那么灯在一秒钟亮100次，闪烁的速度相对较快。

输入输出端口

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(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire button,
    input wire dir_set,
    input wire [1:0] freq_set,
    output reg [7:0] led
);
  • input 和 output 就是模块和外部连接的“接口”。模块需要通过这些接口接受信号或控制某些输出。

输入信号：

  • clk (时钟信号)：电路会根据这个信号的节奏来同步工作，就像心跳一样。每次心跳（时钟周期），电路都会执行一次操作。

  • rst (复位信号)：按下这个信号，电路会重置，一切会回到初始状态，相当于“重启”。

  • button (按钮信号)：你可以用它来控制灯的启动和停止。

  • dir_set (方向设置)：决定灯的流动方向是从左到右，还是从右到左。

  • freq_set (频率设置)：这是一个2位的信号，可以选择我们刚才定义的4个不同的频率值（FREQ0 到 FREQ3），来控制灯的闪烁速度。
    输出信号：

  • led：这是一个8位的输出信号，控制8个LED灯的亮灭。每一个bit（位）控制一个灯。如果某个bit是1，灯就会亮；如果是0，灯就灭。led[7:0] 表示我们有8个灯。

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reg running; // 用来表示灯的当前状态，运行还是停止
wire button_press; // 用来检测按键是否被按下
reg [2:0] btn_sync; // 三级同步器，用于按键去抖
reg [31:0] counter; // 计数器，用来计算时间，控制tick
reg [31:0] freq_val; // 当前选中的频率值
reg tick; // 产生 tick 信号，用来让灯流动

  • reg 是寄存器的缩写，表示可以存储数据的地方。

  • wire 是线网，用于连接信号。

各个变量的作用：

  • running：这个变量表示灯的当前状态。它会保存“灯是亮着的”还是“灯是停着的”的信息。
  • button_press：这个信号用来检测按键什么时候被按下（准确地说，是检测按键的上升沿，也就是从未按下到按下的那一瞬间）。
  • btn_sync：这是一个三级同步器，用来减少按键抖动带来的影响。因为按键按下时可能会抖动，信号会不稳定，所以需要“同步”来保证信号的可靠性。
  • counter：这是一个计数器，用来计算时间。比如说，1秒钟我们可以数1000000次，等到计数满了，就让灯变化一次。
  • freq_val：存储当前选择的频率值，用来控制灯的闪烁速度。
  • tick：每当计数器数到某个值时，这个信号会产生一个“脉冲”，用来让灯变化（流动）。

按键同步与去抖

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always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) 
        btn_sync <= 3'b000; // 复位时清空同步器
    else 
        btn_sync <= {btn_sync[1:0], button}; // 三级同步器移位
end

按键上升沿检测

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assign button_press = ~btn_sync[2] & btn_sync[1];

运行状态切换

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always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) 
        running <= 0; // 复位时停止灯
    else if (button_press) 
        running <= ~running; // 按下按键时，切换灯的状态
end
  • 这段代码控制灯的运行状态。如果按下复位键，灯会停止。
  • 如果检测到按键被按下（button_press为真），则将灯的状态取反：如果灯当前在运行，那么按下按键后它会停止；如果灯停止，按下按键后它会启动。

选择闪烁频率

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always @(*) begin
    case (freq_set)
        2'b00: freq_val = FREQ0;
        2'b01: freq_val = FREQ1;
        2'b10: freq_val = FREQ2;
        2'b11: freq_val = FREQ3;
    endcase
end
  • 这段代码根据freq_set选择不同的频率值。
  • case语句表示不同的情况：当freq_set是2’b00时，选择FREQ0；当是2’b01时，选择FREQ1，以此类推。

计数器与tick信号

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always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        counter <= 32'd0; // 复位时计数器清零
        tick <= 0; // 清除tick信号
    end
    else if (counter == freq_val) begin
        counter <= 32'd0; // 计数器达到频率值时清零
        tick <= 1; // 产生tick信号
    end
    else if (running) begin
        counter <= counter + 1;
        tick <= 0;// 在计数过程中，tick信号为0，只有在达到频率值时才会为1
    end
end
  • 当rst信号有效时，计数器counter和tock信号被清零。
  • 当计数器达到freq_val设定的频率值时，计数器清零，并且tick信号置为1，表示一个周期完成。
  • 只有在running状态下，计数器会递增。

LED流动控制

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always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) 
        led <= 8'b00000001; // 复位时第一个LED点亮
    else if (tick) begin
        if (dir_set) 
            led <= (led == 8'b10000000) ? 8'b00000001 : (led << 1); // 从左到右流动
        else 
            led <= (led == 8'b00000001) ? 8'b10000000 : (led >> 1); // 从右到左流动
    end
end
  • 当tock信号触发时，LED灯会根据dir_set信号的值决定流动方向：
  • 如果dir_set为高电平，LED从左向右流动（位移操作<<）。
  • 如果dir_set为低电平，LED从右向左流动（位移操作>>）

结束

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endmodule

总结

这个Verilog代码实现了一个控制8个LED灯的流水灯模块。可以通过按键启动或停止，同时支持不同的频率设置和流动方向的选择。

总体的代码如下：

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`timescale 1ns / 1ps

module flowing_water_lights_v2
#(
    parameter FREQ0 = 32'd1000000,    // 对应第1种频率
    parameter FREQ1 = 32'd10000000,   // 对应第2种频率
    parameter FREQ2 = 32'd25000000,   // 对应第3种频率
    parameter FREQ3 = 32'd50000000    // 对应第4种频率
)
(
    input wire clk,            // 时钟信号，系统的基本时序控制信号
    input wire rst,            // 复位信号，控制电路复位
    input wire button,         // 按钮信号，控制流水灯的启动/停止
    input wire dir_set,        // 方向控制信号，控制流水灯的移动方向
    input wire [1:0] freq_set, // 2位频率选择输入信号，选择不同的闪烁频率
    output reg [7:0] led       // 8位输出信号，控制8个LED灯的开关状态
);

    // 定义寄存器和线网
    reg running;               // 流水灯是否运行
    wire button_press;         // 按钮上升沿信号，检测按钮的按下
    reg [2:0] btn_sync;        // 3级同步器，防止按键抖动
    reg [31:0] counter;        // 32位计数器，用于产生tick信号
    reg [31:0] freq_val;       // 当前频率的值，选择用于计时的周期数
    reg tick;                  // tick信号，控制LED的流动

    // 三级同步器：消抖机制，防止按键抖动带来的误触发
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) 
            btn_sync <= 3'b000; // 复位时清空同步寄存器
        else 
            btn_sync <= {btn_sync[1:0], button}; // 每个时钟周期将按钮信号右移1位
    end

    // 检测按钮上升沿，表示按下事件
    assign button_press = ~btn_sync[2] & btn_sync[1]; // 只有当第二级变为1，第三级还是0时检测到上升沿

    // 控制流水灯的运行状态，按钮按下后，启动或停止流水灯
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) 
            running <= 0;       // 复位时停止流水灯
        else if (button_press) 
            running <= ~running; // 按钮按下时切换启动/停止状态
    end

    // 根据用户选择的频率信号，设置当前频率值
    always @(*) begin
        case (freq_set)
            2'b00: freq_val = FREQ0; // 频率选择为0时，使用FREQ0
            2'b01: freq_val = FREQ1; // 频率选择为1时，使用FREQ1
            2'b10: freq_val = FREQ2; // 频率选择为2时，使用FREQ2
            2'b11: freq_val = FREQ3; // 频率选择为3时，使用FREQ3
        endcase
    end

    // 计数器，用于产生tick信号
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) begin
            counter <= 32'd0;   // 复位时计数器清零
            tick <= 0;          // 清除tick信号
        end
        else if (counter == freq_val) begin
            counter <= 32'd0;   // 计数器达到设定的频率值时，清零
            tick <= 1;          // 产生一个tick信号，表示需要变动LED灯状态
        end
        else if (running) begin
            counter <= counter + 1; // 如果流水灯处于运行状态，计数器递增
            tick <= 0;              // 在计数过程中，tick信号为0
        end
    end

    // 控制LED的流动
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) 
            led <= 8'b00000001; // 复位时，第一个LED亮
        else if (tick) begin
            if (dir_set) 
                led <= (led == 8'b10000000) ? 8'b00000001 : (led << 1); // 向左移动，如果到了最左边则回到最右边
            else 
                led <= (led == 8'b00000001) ? 8'b10000000 : (led >> 1); // 向右移动，如果到了最右边则回到最左边
        end
    end

endmodule

仿真文件 testbench.v

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`timescale 1ns / 1ps

module testbench();
    // 仿真输入信号
    reg clk;
    reg rst;
    reg button;
    reg [1:0] freq_set;
    reg dir_set;
    wire [7:0] led;

    // 实例化流水灯模块
    flowing_water_lights_v2 #(
        .FREQ0(32'd100),    // 对应第1种频率
        .FREQ1(32'd1000),   // 对应第2种频率
        .FREQ2(32'd2500),   // 对应第3种频率
        .FREQ3(32'd5000)    // 对应第4种频率
    ) uut (
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .button(button),
        .freq_set(freq_set),
        .dir_set(dir_set),
        .led(led)
    );

    // 产生100MHz时钟信号
    always #5 clk = ~clk;  // 每5ns翻转一次，周期10ns，即100MHz

    // 初始化信号并进行仿真
    initial begin
        // 初始值设置
        clk = 0;
        rst = 0;
        button = 0;
        freq_set = 2'b00;
        dir_set = 0;

        // 复位系统
        rst = 1;    // 激活复位信号
        #20;        // 保持复位20ns
        rst = 0;    // 释放复位信号
        #100;       // 稍作等待

        // 启动流水灯
        button = 1; // 按下按钮，启动流水灯
        #20;
        button = 0; // 释放按钮
        #100000;    // 运行一段时间，观察LED状态

        // 暂停流水灯
        button = 1; // 再次按下按钮，暂停流水灯
        #20;
        button = 0; // 释放按钮
        #100000;    // 等待观察效果

        // 切换频率
        freq_set = 2'b01; // 切换到第2种频率
        #20;

        // 再次启动流水灯
        button = 1; // 按下按钮，启动
        #20;
        button = 0; // 释放按钮
        #100000;    // 运行一段时间，观察新频率下的LED状态

        // 切换方向
        dir_set = 1; // 改变方向，LED从左向右流动变为右向左
        #100000;     // 运行一段时间，观察方向变化效果

        $stop; // 停止仿真
    end

endmodule

约束文件（是学校的板子）

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set_property -dict {PACKAGE_PIN Y18  IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R1  IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rst]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P1  IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports button]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports freq_set[0]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports freq_set[1]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y9  IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports dir_set]
set_property -dict {PACKAGE_PIN A21 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[0]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN E22 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[1]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D22 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[2]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN E21 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[3]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D21 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[4]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G21 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[5]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G22 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[6]]
set_property -dict {PACKAGE_PIN F21 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[7]]


-------------本文结束感谢您的阅读-------------



本文作者： Arua
本文链接： https://blog.visionary-5.top/2024/10/17/%E6%95%B0%E9%80%BB%E5%AE%9E%E9%AA%8C1%E2%80%94%E2%80%94%E6%89%8B%E6%90%93%E4%B8%80%E4%B8%AA%E5%8F%AF%E6%8E%A7%E6%B5%81%E6%B0%B4%E7%81%AF/
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