20180805 玩玩FPGA开发，学学Verilog，学学基本操作，制作流水灯

Posted 2020-12-28 amnesiabeing

20180805 玩玩FPGA开发，学学Verilog，学学基本操作，制作流水灯

我毕业设计做的就是FPGA，但是什么都没有学。校外毕设老师对我非常无奈，不过还好，校内的指导老师送了我一个很久很久的开发板，配套的教程是2010年的竞赛教程，教程里的截图很显然的win7风格……下面是老师送的开发板上的照片，能玩的地方有：小灯和数码管，还有一个VGA的输出接口。（家里没有VGA线，懒得买，所以就不玩这个了）

图：老师送的板子和下载线

 

一、开发环境搭建

这点没什么可说的，就是下载一个ISE14.7（板子比较旧，虽说Xilinx提供了新的开发工具Vivado，但是开发板上的芯片似乎只能用ISE开发），然后下载一个破解文件，破解一下就好了。（这个过程其实挺费劲的，网速啊…………………………）

 

二、新建工程

打开ISE，新建工程，选择对应的芯片类型。Spartan3E XC3S500E……

后面都是基本操作，不截图了。

软件设计出来就是给人用的，要不是给人用的，咱不用就行了。

 

三、规划思路

要练习做个什么呢？首先需要有个大体的规划，把所有小灯和数码管给用上——

在复位上电以后，8个小灯按照跑马灯从左到右来跑，数码管显示0000，当小灯最右边的一个由亮转灭的时候，数码管显示的数字+1。这是一个非常非常初步的目标，如果用51单片机实现将非常简单，不超过50行代码。

FPGA的开发，按照书本上讲，需要一个自顶而下Top-down的思维：从最顶层的模块开始思考，分析其功能可以细分为什么模块，输入输出是什么，然后针对每个细分后的模块继续分析，直到能够用较为简短的行为级语言描述的模块。然后，将这些行为级模块转化为RTL级（我的理解是门电路、寄存器等非常小的级别）的代码。

分析顶层模块：

输入：板载的晶振50MHz的clk，复位按钮（信号）rst

输出：8个led小灯，4个8段数码管的选择信号seg和数据信号dat

①为了让人眼能看明白，小灯的切换时间要>人眼能感受到的时间（约0.02s），至少需要一个分频模块，将clk分个5Mà得到大概10Hz频率的信号（晶振不准，精度要求不高，大概调一下觉得舒服就可以了）

②数码管要4个都显示，需要不断地扫描，扫描的时间<人眼感受到的时间，这个用clk就行了，需要一个扫描模块，相当于一个4位的位移寄存器，对于每一个状态，读取不同缓存区（存储要显示的数字的地方）

③由上，需要4个缓存模块

④存储的要显示的数字是什么编码的？如果采用BCD码，则需要一个BCD转数码管显示码的模块，如果直接采用数码管显示码来计数，也是可以的。

⑤8个小灯要跑马灯，需要一个9位的位移寄存器

⑥跑马灯到右边时，数码管显示的数字要+1，需要一个9进制的计数器。

因此，模块示意图如图所示：

 

四、编写代码

工程结构如图所示：

下面针对每类模块编写代码。

①时钟分频模块，这相当于一个计数器，用行为级代码来编写：

代码大意是每来一个clk的上升沿，计数变量cnt+1，直到计数变量cnt与预设值M相等的时候，输出clk_out取反。

②状态转换器，其实还是一个计数器，编码比较诡异而已

代码大意是每来一个上升沿，如果当前状态是S(X)，则输出下一个状态S(X+1)。

虽然这个代码用位移寄存器也可以完成，但我只是想试试这个写法而已。

其他部分的代码类似，在此略过。

五、仿真

这里针对每种模块都编写了test文件。仿真得到的波形看起来也是正确的……

波形图上seg表示不停地切换要显示的数码管，dat表示数码管要显示的数值，led表示当前小灯的显示情况。

六、下载到开发板

果然会出现错误好吧——

图上数码管看起来要显示7，但是周围的其他部分也似乎亮了起来，而且并没有按照想法显示0007，这就是传说中的"鬼影现象"好吧

╮(╯-╰)╭

七、改进思想

有几个想法：

①加入一个rdy信号，表示数据准备好准备好，再增加一个缓冲模块，当rdy信号有效的时候，输出等于输入；当rdy信号无效的时候，输出为0000，表示一个数码管也不选择。

问题来了，这个rdy信号从什么地方来？计划之一，从10进制计数器来，问题是有4个计数器，这个信号还需要求一个或运算？不准确。计划之二，从4进制计数器来，这个信号从clk延迟一段时间而来，这个需要进一步设计一下。

②专门弄一个负责显示4位（可扩展）数码管的模块，以后都可以调用（复制粘贴），（例化）。

心里感受到了挫败感，明天再弄。