【接口时序】2、Verilog实现流水灯及与C语言的对比

一、 软件平台与硬件平台

　　软件平台：

　　1、操作系统：Windows-8.1

　　2、开发套件：ISE14.7

　　3、仿真工具：ModelSim-10.4-SE

　　硬件平台：

　　1、FPGA型号：XC6SLX45-2CSG324

二、 原理介绍

　　我的开发板上有4个LED灯，原理图如下：

　　

　　

　　由原理图可知仅当FPGA的对应管脚输入低电平时LED才会亮，流水灯的效果可以轮流让四个对应管脚输出低电平来产生。

三、 目标任务

　　编写四个LED流水的Verilog代码并用ModelSim进行仿真，仿真通过以后下载到开发板进行测试，要求开发板上每个LED亮的时间为1s。

四、 设计思路与Verilog代码编写

　　由于每个LED亮的时间为1s，所以首先很自然想到产生一个1s的时钟用来驱动后续逻辑，有了这个1s的时钟以后，就可以在这个1s时钟的节拍下对LED的输出进行以移位操作来产生流水灯的效果。

 　　1、1s时钟的分频逻辑

　　　由于主时钟是50MHz，周期为20ns，所以可以利用50MHz主时钟驱动一个计数器，当计数器的值每次到达24999999时，消耗的时间为25000000*20ns=0.5s，这时把分频器的输出反转，并把计数值清0，这样分频器的输出就会每隔0.5s翻转一次，产生了一个1s的时钟。

　　Verilog代码如下：

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生1s的时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0 ; 
            R_clk_ls_reg    <= 1'b1  ;
        end 
    else if(R_cnt_ls == 32'd24_999_999)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0          ;
            R_clk_ls_reg    <= ~R_clk_ls_reg  ;  
        end
    else
        R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;          
end

assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;

　　2、移位逻辑

　　有了1s的时钟信号以后，就在这个1s时钟信号的驱动下对输出的LED寄存器进行移位操作产生流水效果。

　　Verilog代码如下：

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：对输出寄存器进行移位产生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n) 
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ; 
    else if(R_led_out_reg == 4'b1000)
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
    else    
        R_led_out_reg <= R_led_out_reg << 1 ;             
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

五、 ModelSim仿真

　　写好逻辑以后，为了确定时序是正确的，最好写一个测试文件对功能进行仿真，为了加快仿真速度，修改分频逻辑计数器的计数值为24，然后编写测试文件，测试文件中激励产生的Verilog代码如下：

initial begin
    // Initialize Inputs
    I_clk = 0;
    I_rst_n = 0;

    // Wait 100 ns for global reset to finish
    #100;
    I_rst_n = 1;
    
    // Add stimulus here

end

always #10 I_clk = ~I_clk ;

　　仿真的时序图如下图所示：

可以看到时序完全正确，接下来就是绑定管脚，生成bit文件下载到开发板测试了。

六、 进一步思考——C语言流水灯与Verilog流水灯区别

　　看完网上《Verilog那些事》系列博文以后，作者提出了一种“仿顺序操作”方法，其实以前自己写代码的时候无形之中一直在用这种思想，但是一直没有提炼出来，看完作者的介绍以后才发现确实是有那个“仿顺序”的味道。详细的博文请参考博客园博主akuei2的系列博文。这里我在总结一遍，给以后留个印象。

　　C语言实现流水灯的大致代码框架如下：

　　　　while(1)

　　　　{

　　　　　　1、让第1个LED亮，其他的灭；

　　　　　　2、延时1s

　　　　　　3、让第2个LED亮，其他的灭

　　　　　　4、延时1s

　　　　　　5、让第3个LED亮，其他的灭；

　　　　　　6、延时1s

　　　　　　7、让第4个LED亮，其他的灭

　　　　　　8、延时1s

    　　}

　　在while(1)里面代码是一行一行的执行，最后一行执行完毕以后在回到第一行重新开始新一轮的执行。就这样产生了流水的效果。

　　看到这里，有人应该突然明白了吧，这不正好就是Verilog中的一个状态机么。对应的Verilog代码也可以写出来了　

　　always @(posedge I_clk)

　　begin

       　　case(R_state)

              　　第1个状态：让第1个LED亮，其他的灭，下一状态是第2个状态；

              　　第2个状态：延时1s，下一状态是第3个状态；

              　　第3个状态：让第2个LED亮，其他的灭，下一状态是第4个状态；

              　　第4个状态：延时1s，下一状态是第5个状态；

              　　第5个状态：让第3个LED亮，其他的灭，下一状态是第6个状态；

              　　第6个状态：延时1s，下一状态是第7个状态；

              　　第7个状态：让第4个LED亮，其他的灭，下一状态是第8个状态；

              　　第8个状态：延时1s，下一状态是第1个状态；

              　　default          ： ；

       　　endcase

　　end

　　具体的代码如下：

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：“仿顺序操作”
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_state  <= 3'b000 ; 
            R_cnt_ls <= 32'd0  ;
        end
    else
        begin    
            case(R_state)
                C_S0:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
                        R_state       <= C_S1    ;  
                    end
                C_S1:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S2  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S2:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0010 ;
                        R_state       <= C_S3    ;  
                    end
                C_S3:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S4  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S4:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0100 ;
                        R_state       <= C_S5    ;  
                    end
                C_S5:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S6  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S6:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b1000 ;
                        R_state <= C_S7 ;  
                    end
                C_S7:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S0  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end 
                default: R_state <= 3'b000 ;                                                                               
            endcase 
        end                  
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

　　时序图如下图：

　　时序图仍然正确，实现了流水灯的效果

七、 总结

　　1、所谓的“仿顺序操作”实际上就是一个状态机，通过状态的跳变实现“顺序执行”的效果。这种思想在后面写接口时序的时候还是挺管用的，今后可以多多琢磨琢磨。

　　2、 C语言的while(1)和Verilog语言的always @(posedge I_clk)有类似的地方，只要CPU的时钟存在，它们就一直执行下去。书上都说C语言是一种串行语言，Verilog是一种并行语言，实际上这里也能有体会：C语言里只能有1个while(1)语句，进入while(1)以后CPU就出不来了，而Verilog中可以有多个always @(posedge I_clk)语句，并且每个always @(posedge I_clk)同时运行的，这就是两种语言最大的区别吧。

八、 附录

　　1、分频1s产生流水灯的完整代码

module led_work_top
(
    input           I_clk       ,
    input           I_rst_n     ,
    output  [3:0]   O_led_out
);

reg  [31:0]  R_cnt_ls      ;
wire         W_clk_ls      ;
reg          R_clk_ls_reg  ;
reg  [3:0]   R_led_out_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生1s的时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0 ; 
            R_clk_ls_reg    <= 1'b1  ;
        end 
    else if(R_cnt_ls == 32'd24_999_999)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0          ;
            R_clk_ls_reg    <= ~R_clk_ls_reg  ;  
        end
    else
        R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;          
end

assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：对输出寄存器进行移位产生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n) 
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ; 
    else if(R_led_out_reg == 4'b1000)
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
    else    
        R_led_out_reg <= R_led_out_reg << 1 ;             
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

endmodule

　　2、 “仿顺序操作”产生流水灯完整代码

module led_work_top
(
    input           I_clk         ,
    input           I_rst_n       ,
    output  [3:0]   O_led_out     
);                                
                                  
reg  [31:0]  R_cnt_ls             ;
reg  [3:0]   R_led_out_reg        ;
reg  [2:0]   R_state              ;

parameter    C_CNT_1S =   32'd49_999_999  ;          

parameter    C_S0     =   3'b000  ,
             C_S1     =   3'b001  ,
             C_S2     =   3'b010  ,
             C_S3     =   3'b011  ,
             C_S4     =   3'b100  ,
             C_S5     =   3'b101  ,
             C_S6     =   3'b110  ,
             C_S7     =   3'b111  ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：仿顺序操作
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_state  <= 3'b000 ; 
            R_cnt_ls <= 32'd0  ;
        end
    else
        begin    
            case(R_state)
                C_S0:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
                        R_state       <= C_S1    ;  
                    end
                C_S1:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S2  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S2:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0010 ;
                        R_state       <= C_S3    ;  
                    end
                C_S3:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S4  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S4:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b0100 ;
                        R_state       <= C_S5    ;  
                    end
                C_S5:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S6  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end
                C_S6:
                    begin
                        R_led_out_reg <= 4'b1000 ;
                        R_state <= C_S7 ;  
                    end
                C_S7:
                    begin
                        if(R_cnt_ls == C_CNT_1S)
                            begin
                                R_cnt_ls <= 32'd0 ;
                                R_state  <= C_S0  ;
                            end
                        else
                            R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;                
                    end 
                default: R_state <= 3'b000 ;                                                                               
            endcase 
        end                  
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

endmodule

　　3、测试记录文件完整代码

module tb_led_work_top;

    // Inputs
    reg I_clk;
    reg I_rst_n;

    // Outputs
    wire [3:0] O_led_out;

    // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    led_work_top U_led_work_top (
        .I_clk(I_clk), 
        .I_rst_n(I_rst_n), 
        .O_led_out(O_led_out)
    );

    initial begin
        // Initialize Inputs
        I_clk = 0;
        I_rst_n = 0;

        // Wait 100 ns for global reset to finish
        #100;
        I_rst_n = 1;
        
        // Add stimulus here

    end
    
    always #5 I_clk = ~I_clk ;
      
endmodule

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