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FPGA状态机思想实现流水灯及HDLBits学习

news 来源：原创 2025/9/7 4:45:42

- 第一章在DE2-115上用状态机思想实现LED流水灯
- - 1.1 状态机设计思路
  - 1.2 Verilog代码实现
  - 1.3. 仿真测试代码
  - 1.4 编译代码与仿真
- 第二章 CPLD和FPGA芯片的主要技术区别是什么？它们各适用于什么场合？
- - 2.1 主要技术区别
  - 2.2 适用场合
- 第三章 HDLBits学习
- - 3.1四位右移寄存器
  - 3.2 半加器
  - 3.3 全加器
  - 3.4 线材
  - 3.5 与门
- 参考资料

第一章在DE2-115上用状态机思想实现LED流水灯

1.1 状态机设计思路

状态定义：定义多个状态，每个状态对应一个LED亮起。
状态转移：按顺序从一个状态转移到下一个状态。
计数器：用于控制每个状态的持续时间。

1.2 Verilog代码实现

环境配置
代码

module led_fsm(input wire clk,          // 时钟信号input wire reset,        // 复位信号output reg [7:0] leds    // 8个LED输出
);// 定义状态
parameter STATE0 = 3'b000;
parameter STATE1 = 3'b001;
parameter STATE2 = 3'b010;
parameter STATE3 = 3'b011;
parameter STATE4 = 3'b100;
parameter STATE5 = 3'b101;
parameter STATE6 = 3'b110;
parameter STATE7 = 3'b111;reg [2:0] current_state, next_state;// 计数器，用于控制每个状态的持续时间
reg [25:0] cnt;always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) begincurrent_state <= STATE0;cnt <= 0;end else beginif (cnt == 25'd10000000) begin  // 每个状态持续约1秒（假设时钟为50MHz）cnt <= 0;current_state <= next_state;end else begincnt <= cnt + 1;endend
endalways @(*) begincase (current_state)STATE0: beginleds = 8'b00000001;next_state = STATE1;endSTATE1: beginleds = 8'b00000010;next_state = STATE2;endSTATE2: beginleds = 8'b00000100;next_state = STATE3;endSTATE3: beginleds = 8'b00001000;next_state = STATE4;endSTATE4: beginleds = 8'b00010000;next_state = STATE5;endSTATE5: beginleds = 8'b00100000;next_state = STATE6;endSTATE6: beginleds = 8'b01000000;next_state = STATE7;endSTATE7: beginleds = 8'b10000000;next_state = STATE0;enddefault: beginleds = 8'b00000001;next_state = STATE1;endendcase
endendmodule

1.3. 仿真测试代码

module tb_led_fsm;// 时钟和复位信号
reg clk;
reg reset;
wire [7:0] leds;// 实例化被测试模块
led_fsm uut (.clk(clk),.reset(reset),.leds(leds)
);// 时钟生成
initial beginclk = 0;forever #10 clk = ~clk;
end// 测试过程
initial beginreset = 1;#20 reset = 0;#10000 $stop;
endendmodule

1.4 编译代码与仿真

编译led_fsm.v
点击Processing–>Start–>Start test bench template writer，并在flie中添加生成的led_fsm.vt文件
修改led_fsm.vt文件内容
把仿真代码copy到该文件内，并在第一行声明时间扫描间隔
配置仿真环境
点击Tools–>Options–>EDA ToolsOptions选项，配置ModelSim环境，如果Modelsim版本为INTEL FPGA Edition，那么文件地址应为安装文件内........\modelsim_ase\win32aloem，如图所示。
配置仿真文件，点击Assignments–>Settings
选择上面的Compile test bench点击后面Test Bench进入选择，点击New新建
按照顺序先编辑名字，然后浏览刚才的.vt文件，最后点击Add添加达到如下图效果，再点击OK
点击Tools–>Run Simulation Tool–>RTL Simulation开始进行仿真

仿真结果

第二章 CPLD和FPGA芯片的主要技术区别是什么？它们各适用于什么场合？

2.1 主要技术区别

结构：
CPLD：基于查找表（LUT）和可编程连线的简单结构，逻辑资源较少。
FPGA：基于查找表（LUT）和可编程连线的复杂结构，逻辑资源丰富，支持大规模设计。
编程方式：
CPLD：通常使用一次性可编程（OTP）技术，编程后不可擦除。
FPGA：使用SRAM配置，可多次擦写和重新编程。
速度和性能：
CPLD：延迟较低，适合高速简单逻辑。
FPGA：延迟较高，但支持复杂的逻辑设计。
成本和功耗：
CPLD：成本较低，功耗较低。
FPGA：成本较高，功耗较高。

2.2 适用场合

CPLD：

适合简单的逻辑设计和组合逻辑。
适合需要低延迟和低功耗的场合。
适合需要一次性编程的场合。

FPGA：

适合复杂的逻辑设计和大规模数字系统。
适合需要频繁更新和调试的场合。
适合需要高性能计算的场合。

第三章 HDLBits学习

通过访问HDLBits以及HDLBits中文导学网站，完成组合逻辑（combinational logic）中的各题目

3.1四位右移寄存器

题目
代码实现

module top_module(input clk,input areset,  // async active-high reset to zeroinput load,input ena,input [3:0] data,output reg [3:0] q); 
// 异步复位，同步加载和移位
always @(posedge clk or posedge areset) beginif (areset) beginq <= 4'b0000; // 异步复位为0end else beginif (load) beginq <= data; // 同步加载end else if (ena) beginq <= {1'b0, q[3:1]}; // 右移一位，最高位清零end// 如果load和ena都无效，保持当前状态end
endendmodule

提交结果

3.2 半加器

题目
代码实现

module top_module(input a, b,output cout, sum
);assign sum = a ^ b;assign cout = a & b;
endmodule

提交结果

3.3 全加器

题目
代码实现

module top_module(input a, b, cin,output cout, sum
);assign sum = a ^ b ^ cin;assign cout = (a & b) | (a & cin) | (b & cin);
endmodule

提交结果

3.4 线材

题目
代码

module top_module(input in,output out
);assign out = in;
endmodule

提交结果

3.5 与门

题目
代码实现

module top_module(input a,input b,output out
);assign out = a & b;
endmodule

提交结果

参考资料

Quartus使用步骤及联合Modelsim仿真教程
FPGA基础入门【2】ModelSim官方免费版安装
quartus和modelsim联合仿真详细教程

FPGA状态机思想实现流水灯及HDLBits学习

目录第一章在DE2-115上用状态机思想实现LED流水灯1.1 状态机设计思路1.2 Verilog代码实现1.3. 仿真测试代码1.4 编译代码与仿真第二章 CPLD和FPGA芯片的主要技术区别是什么？它们各适用于什么场合？2.1 主要技术区别2.2 适用场合第三章 HDLBits学习3.1…...

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