【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】【实验一】流水灯模块

实验一：流水灯模块

对于发展商而言，动土仪式无疑是最重要的任务。为此，流水灯实验作为低级建模II的动土仪式再适合不过了。废话少说，我们还是开始实验吧。

图1.1 实验一建模图。

如图1.1 所示，实验一有名为
led_funcmod的功能模块。如果无视环境信号（时钟信号还有复位信号），该功能模块只有一组输出端，亦即4位LED信号。接下来让我们来看具体内容：

led_funcmod.v

1.    module led_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         output [3:0]LED

5.    );

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

以上内容为出入端声明。

6.         parameter T1S = 26‘d50_000_000; //1Hz

7.         parameter T100MS = 26‘d5_000_000; //10Hz

8.         parameter T10MS = 26‘d500_000; //100Hz

9.         parameter T1MS = 26‘d50_000; //1000Hz

10.         

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

以上内容为常量声明。分别是1秒至1毫秒。

11.         reg [3:0]i;

12.         reg [25:0]C1;

13.         reg [3:0]D;

14.         reg [25:0]T;

15.         reg [3:0]isTag;

16.         

17.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

18.             if( !RESET )

19.                  begin

20.                         i <= 4‘d0;

21.                         C1 <= 26‘d0;

22.                         D <= 4‘b0001;

23.                         T <= T1S;

24.                         isTag <= 4‘b0001;

25.                    end

26.              else

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

以上内容是相关的寄存器声明以及复位操作。寄存器i用来指向步骤，寄存器C1用来计数，寄存器D用来暂存结果和驱动输出，寄存器T用来暂存计数量，isTag则用来暂存延迟标签。

27.                case( i )

28.                

29.                      0:

30.                      if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

31.                      else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b0001; end

32.                      

33.                      1:

34.                      if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

35.                      else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b0010; end

36.                      

37.                      2:

38.                      if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

39.                      else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b0100; end

40.                      

41.                      3:

42.                      if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

43.                      else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b1000; end

44.                      

45.                      4:

46.                      begin isTag <= { isTag[2:0], isTag[3] }; i <= i + 1‘b1; end

47.                      

48.                      5:

49.                      if( isTag[0] ) begin T <= T1S; i <= 4‘d0; end

50.                      else if( isTag[1] ) begin T <= T100MS; i <= 4‘d0; end

51.                      else if( isTag[2] ) begin T <= T10MS; i <= 4‘d0; end

52.                      else if( isTag[3] ) begin T <= T1MS; i <= 4‘d0; end 

53.                      

54.              endcase        

55.        

56.        assign LED = D;

57.            

58.    endmodule

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

以上内容为是核心操作以及输出驱动声明。步骤0~3用来实现流水灯效果。最初，每个步骤的停留时间是
1秒，然后步骤0~3按顺序执行便会产生流水效果。步骤4是用来切换模式，步骤5则是根据isTag的内容再为 T寄存器载入不同的延迟内容，如 [0]
延迟1秒，[1] 延迟100毫妙，[2] 延迟10毫妙，[3] 延迟1毫妙。默认下为模式0（第24行），既延迟1秒（第23行）。

这个实验所在乎的内容根本不是实验结果而是低级建模II本身。假若比较《建模篇》的流水实验，低级建模I与低级建模II之间是有明显的差距。首先，低级建模II再也不见计数器或者定时器等周边操作。再者，低级建模II的整合度很高，例如步骤0~3：

1.           0:

2.          if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

3.          else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b0001; end 

4.          1:

5.          if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

6.          else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D<= 4‘b0010; end          

7.          2:

8.          if( C1 ==T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

9.          else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b0100; end          

10.          3:

11.          if( C1 == T -1) begin C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

12.          else begin C1 <= C1 + 1‘b1; D <= 4‘b1000; end

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

代码1.1

内容如代码1.1所示，步骤0~3每个步骤示意一段完整的小操作，例如步骤0为4’b0001保持一段时间，步骤1为4’b0010保持一段时间，步骤2~3也是如此。其中
-1也考虑了步骤切换的时间。假设流水间隔要求1毫妙，那么每个步骤都会准确无误停留50000个时钟。事实上，步骤0也可以换成比较方便的写法，如代码1.2所示：

1.        reg [3:0] D = 4’b0001;  

2.        ......

3.        0,1,2,3：

4.        if( C1 == T -1) begin D <= { D[2:0], D[3] }; C1 <= 26‘d0; i <= i + 1‘b1; end

5.        else begin C1 <= C1 + 1‘b1; end

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

代码1.2

代码1.2表示，只要寄存器D准备好初值，例如
4’b0001，那么步骤0~3都可以共享同样的操作，如此一来会大大减少行数，节省空间。好奇的同学一定觉得疑惑，既然代码1.2的写法那么方便，反之笔者为何要选择代码1.1的写法呢？原因很单纯，那是为了清晰模块内容，以致我们容易脑补时序。感觉上，两者虽然都差不多，但是我们只要仔看，我们便会发现
... 代码1.2它虽然书写方便，可是细节模糊而且内容也不直观。

在此，笔者需要强调！低级建模II虽然有整合技巧让操作变得更加便捷，不过比起整合它更加注重表达能力以及清晰度。这样做的关键是为了发挥主动思想，以便摆脱无谓的仿真。所以说，如果读者想和低级建模II作朋友，建模之前应该优先考虑内容的清晰度，而不是内容的精简性。如果内容即精简又直观，这种情况当然是最好的结果。

至于实验一是没有仿真的必要，因为内容足够直白，这种程度足以脑补时序。最后笔者还要说道，实验一虽然没有什么学习的价值，但是实验一要表达的信息也非常清楚，即低级建模II是注重清晰，直观的建模技巧。此外，实验一也可以作为学习的热身。