(原创)基于FPGA的调光流水灯(Verilog，CPLD/FPGA)

1.Abstract

    前几天做了一个呼吸灯，觉得确实挺有意思的；可惜的是只有一个灯管亮，板子上有四个灯，要是能让这些灯有序地亮起来，那应该更有趣味了！跟传统的一样，逻辑上做成一个流水灯的样式，这种带有PWM调光的吸引样式，真可谓是超级流水灯了。

    做这个是在已做好的呼吸灯的基础上进行添加功能的，整理好了也在随笔里边，这里就直接引用出来。

    基于Verilog的PWM呼吸灯：http://www.cnblogs.com/hechengfei/p/4106538.html

2.Content

  2.1 总体设计

    PWM的原理在呼吸灯的那部分已经整理好了，这里就省去了原理分析一部分了，把做好的作为底层的一个小模块，主要关注顶层逻辑的设计了。

    要使灯顺序的流水起来，自然是一个时序逻辑，最佳的方法就是采用状态机，预先将各个状态分配好，然后让各个状态有序地切换，时序逻辑就清晰得被表达出来。板子上有4个灯，依次流水过去然后再回来，然后循环这样的逻辑；用图表示或许直观些。

FIG2.1 总体逻辑

    在途中，蓝色线表示向右流水，红色线表示向左流水。一次完整的流水执行下来，如绿色箭头指示；首先是LED0表演，完毕后，转至LED1表演，完毕后，再转至LED2表演，依次下去，直至回到LED0表演。

    根据上述的逻辑，将所有的逻辑状态分配出来；将总体逻辑平铺开，去掉多余的状态，就有8-2 = 6个状态（首尾的两个状态各重了一次）。分别用S0到S7八个状态表示（多余的两个状态直接转到S0），用状态表来说明一下。

表2.1 总体状态转换表

当前状态	转换条件	下一状态
S0	!RST 或者 !END0	S0
S0	RST&END0	S1
S1	!RST	S0
S1	RST & (!END1)	S1
S1	RST & END1	S2
S2	!RST	S0
S2	RST & (!END2)	S2
S2	RST & END2	S3
S3	!RST	S0
S3	RST & (!END3)	S3
S3	RST & END3	S4
S4	!RST	S0
S4	RST & (!END2)	S4
S4	RST & END2	S5
S5	!RST | END1	S0
S5	RST & (!END1)	S5
S6	*(Unconditional)	S0
S7	*(Unconditional)	S0

    用状态装换图表示可能更直观一些。

FIG2.2 总体状态转换图

    图中，绿色部分表示正常状态转换，红色部分表示控制信号强制转换。用状态转换图的方法虽然画得比较复杂，线比较多，但更容易理解和便于编写状态机。

    完成信号END的产生。在PWM呼吸灯中，它也是一个状态转换的实例，END信号的产生是由内部寄存器存储和操作的，用作子模块以后，最后的状态应该作为端口输出出来，以便顶层模块检测和顶层状态切换处理。顾只需要在原来的模块中添加一个END信号，在PWM一个周期输出完成以后，将此信号输出出来。

  2.2 顶层整合

    顶层的整合就是将所有模块连接起来，既可以采用Block块的方式，也可以用文本的方式。顶层块连接了控制模块和子状态控制块模块，各自逻辑描述如下。

    顶层块的描述：

module breath(LED,CLK,RST);
output [3:0] LED;

input CLK;
input RST;

wire S_END0;
wire S_END1;
wire S_END2;
wire S_END3;

wire RST_LED0;
wire RST_LED1;
wire RST_LED2;
wire RST_LED3;

breath_state M0 (.RST_LED0(RST_LED0), .RST_LED1(RST_LED1), .RST_LED2(RST_LED2), .RST_LED3(RST_LED3),
                 .S_END0(S_END0), .S_END1(S_END1), .S_END2(S_END2), .S_END3(S_END3),
                 .CLK(CLK), .RST(RST));


breath_led    M1 (.LED(LED[0]), .S_END(S_END0), .CLK(CLK), .RST(RST_LED0));
breath_led    M2 (.LED(LED[1]), .S_END(S_END1), .CLK(CLK), .RST(RST_LED1));
breath_led    M3 (.LED(LED[2]), .S_END(S_END2), .CLK(CLK), .RST(RST_LED2));
breath_led    M4 (.LED(LED[3]), .S_END(S_END3), .CLK(CLK), .RST(RST_LED3));


endmodule

    状态控制块的描述：

module breath_state(RST_LED0, RST_LED1, RST_LED2, RST_LED3,
                    S_END0, S_END1, S_END2, S_END3,
                    CLK,RST);

input S_END0;
input S_END1;
input S_END2;
input S_END3;

output reg RST_LED0 = 1'b0;
output reg RST_LED1 = 1'b0;
output reg RST_LED2 = 1'b0;
output reg RST_LED3 = 1'b0;

input CLK;
input RST;

parameter S0 = 3'd0,
          S1 = 3'd1,
          S2 = 3'd2,
          S3 = 3'd3,
          S4 = 3'd4,
          S5 = 3'd5,
          S6 = 3'd6,
          S7 = 3'd7;

reg [2:0] state = 3'd0;

always @(posedge CLK)
begin
    if(!RST)
        begin
            state = S0;
        
            RST_LED0 = 1'b0; //熄灭所有灯
            RST_LED1 = 1'b0;
            RST_LED2 = 1'b0;
            RST_LED3 = 1'b0;
        end
    else
        begin
            case(state)
            S0:    begin
                    if(S_END0) begin state <= S1; end
                    else begin 
                            RST_LED0 <= 1'b1; // 仅LED0表演
                            RST_LED1 <= 1'b0;
                            RST_LED2 <= 1'b0;
                            RST_LED3 <= 1'b0;
                         end
                end
            S1: begin
                    if(S_END1) begin state <= S2; end
                    else begin
                            RST_LED0 <= 1'b0;
                            RST_LED1 <= 1'b1;  // 仅LED1表演
                            RST_LED2 <= 1'b0;
                            RST_LED3 <= 1'b0;
                         end
                end
            S2: begin
                    if(S_END2) begin state <= S3; end
                    else begin
                            RST_LED0 <= 1'b0;
                            RST_LED1 <= 1'b0;
                            RST_LED2 <= 1'b1; // 仅LED2表演
                            RST_LED3 <= 1'b0;
                         end
                end
            S3: begin
                    if(S_END3) begin state <= S4; end
                    else begin
                            RST_LED0 <= 1'b0;
                            RST_LED1 <= 1'b0;
                            RST_LED2 <= 1'b0;
                            RST_LED3 <= 1'b1; // 仅LED3表演
                         end
                end
            S4: begin
                    if(S_END2) begin state <= S5; end
                    else begin
                            RST_LED0 <= 1'b0;
                            RST_LED1 <= 1'b0;
                            RST_LED2 <= 1'b1; // 仅LED2表演
                            RST_LED3 <= 1'b0;
                         end
                end
            S5: begin
                    if(S_END1) begin state <= S0; end
                    else begin
                            RST_LED0 <= 1'b0;
                            RST_LED1 <= 1'b1; // 仅LED1表演
                            RST_LED2 <= 1'b0;
                            RST_LED3 <= 1'b0;
                         end
                end
            S6: begin
                    state <= S0; // 多余状态，无条件返回
                end
            S7: begin
                    state <= S0; // 多余状态，无条件返回
                end 
            endcase
        end
        

end

endmodule

  2.3 逻辑验证

    整理好各个模块以后，编译一下，看看生成出来的逻辑。

FIG2.3综合后的RTL视图网表

    顶层只做连接各个模块，那么在RTL视图中就是几个绿色的小方块儿表示了；排列的还是非常整齐的，对照连线，确定一下所有的线连接是正确的。再就是检查一下状态转换图。

FIG2.4 综合后的状态机视图

    对照视图下边的状态转换表，选中某根连线就可以在表格中直接高亮显示转换的初始状态，转换条件，下一状态等丰富信息。因为生成的状态机和预期的是一样的，所以就不再验证它的正确性了；配置好芯片引脚，将编程文件下载到实际电路板中，看看效果。

    因为博客中不能插入视频，所以将拍好的视频上传到专门的视频网站，生成一个链接，点击进去就可以观看了，也非常方便。

    实际效果：http://v.youku.com/v_show/id_XODMxOTY0MzQ0.html

3.Conclusion

    对于时序逻辑，采用状态机的方法至关重要！逻辑的设计需要非常清晰，对于状态机的设计，可以先画出状态转换图，然后再进行编写文件；对于逻辑还不清晰的地方，需要认真在草稿纸上画画。

    关于编码的规范；对逻辑设计我也是刚刚起步，才学不到一年，更加关注的是逻辑综合后电路的正确性，所以没有对编码进行统一的规范；这方面我也会多多去学习，尽量将文件写的好一点，通用一点。

    写一点感受。逻辑设计和编写程序确实有很大的差别，也是各有所长吧；逻辑电路从大的范围来讲，分为组合逻辑和时序逻辑，有各自实现的方式，对于一个要求实现的逻辑，首先要做的就是把它完全分析清楚，将它们的波形都给画出来，然后再考虑哪部分使用组合逻辑，哪部分使用时序逻辑，最后就是将这些小块块连接起来做整合，设计采用的是自顶向下，而实现的方法可以是自下而上。相对逻辑设计，编程就显得不那么精准了，但是灵活性很高，特别适合做复杂的事情，而且总体看来它就是一个时序的，写好的指令是一步步往下走的，对硬件的理解要求不会太高，从而将注意力转移到如何实现上来。我觉得没有必要将它们严格的区分开来，也没有必要将它们混为一谈来对待，它们各自有优缺点，使用的时候只是转变一下逻辑而已。

4.Reference

[1] Verilog 数字系统设计教程（第二版） 夏宇闻

[2] Verilog HDL 高级数字设计（第二版） Michael D.Ciletti

5. Platform

1).Quartus II Version 9.1 Build 222

2).Microsoft Office Visio Professional 2003 SP3

6.Attachment

工程附录文件：http://i.cnblogs.com/Files.aspx