FPGA学习(7)-线性序列机原理与应用，不同类型的LED控制开关

news2025/10/31 18:35:21

目录

1.实现1

 2.实现2

 2.1方法1

2.2方法2 

3.实现3

3.1实验现象 

4.实现4

4.1分析

4.2实现过程

4.2.1 counter的计数

4.2.2 en_counter2的判断

4.2.3 en_counter0的判断 

 4.2.4 对case语句加判断条件

4.3仿真结果 

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4.4实验现象 

1.实现1

1.实现以下图示功能，直接计到1s时，counter清零，在0~0.25s之间高电平，0.25s~1s之间低电平。

 2.仿真波形

3.问题，像C那样写却不行，只能在某个时刻点亮才行。

计数器相当于时间的一把尺子，用计数器的每一个计数值当作一个刻度，能够得到各个需要的时刻，在指定的时刻，执行需要的操作。 

 2.实现2

实现下图方式的方波：

 2.1方法1

跟第一种方式一样，找出每个高低信号跳变的位置。要减小仿真时间，多个参数下如何设定最简便的参数，按照之前的思路需要加4个参数。这里直接用他们都共有的倍数来进行,仿真时间缩小1000倍。

parameter MCNT = 1000;
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
    counter<=1'b0;
    else if (counter == 125_000*MCNT-1)
    counter<=1'b0;
    else
    counter<=counter+1'd1;
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
    led<=1'b0;
    else if(counter == 0)
        led<=1'd1;
    else if(counter == 125_00*MCNT)
        led<=1'd0;
    else if(counter == 375_00*MCNT)
        led<=1'd1;
    else if(counter == 75_000*MCNT)
        led<=1'd0;

仿真波形： 

2.2方法2 

把划分成几个区间，取每个时间间隔的最大公约数，分成几段。用一个计数器记到该最大公约数，再用一个计数器记到9，每次对应不同的高低电平。

源文件代码，中间有段if else 没用begin...end为什么也没问题。

module led_light1(
    reset,
    clk,
    led
    );
    
    input reset;
    input clk;
    output reg led;
    reg [26:0]counter;
    parameter MCNT = 12500_000-1;
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        counter <= 1'd0;
    else if (counter == MCNT)
        counter <= 1'd0;
    else
        counter <= counter+1'd1;
    
    reg [3:0]counter1;
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        counter1 <= 1'd0;
    else if(counter == MCNT)
        if(counter1 == 9)
            counter1 <= 1'd0;
        else
            counter1 <= counter1+1'd1;   
    else
        counter1=counter1;
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        led<=1'd0;
    else begin
        case(counter1)
        0:led <= 1'd1;
        1:led <= 1'd0;
        2:led <= 1'd0;
        3:led <= 1'd1;
        4:led <= 1'd1;
        5:led <= 1'd1;
        6:led <= 1'd0;
        7:led <= 1'd0;
        8:led <= 1'd0;
        9:led <= 1'd0;
        default:led <= led;
        endcase
    end  
endmodule

 仿真结果：

3.实现3

 即直接新建立一个数值，让counter1依次计数，每次计数后，切换到对应的SW状态。

源文件：

module led_light2(
    reset,
    clk,
    led,
    SW
    );
    
    input reset;
    input clk;
    input [7:0]SW;
    output reg led;
    reg [26:0]counter;
    parameter MCNT = 12500_000-1;
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        counter <= 1'd0;
    else if (counter == MCNT)
        counter <= 1'd0;
    else
        counter <= counter+1'd1;
    
    reg [2:0]counter1;
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        counter1 <= 1'd0;
    else
        counter1 <= counter1+1'd1;   
    
    always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        led<=1'd0;
    else begin
        case(counter1)
        0:led <= SW[0];
        1:led <= SW[1];
        2:led <= SW[2];
        3:led <= SW[3];
        4:led <= SW[4];
        5:led <= SW[5];
        6:led <= SW[6];
        7:led <= SW[7];
        default:led <= led;
        endcase
    end  
endmodule

仿真文件：

 改变SW的值，进行延时后，再进行改变。

`timescale 1ns / 1ns
module led_light_tb();
reg clk;
reg reset;
wire led;
reg [7:0]SW;
led_light2 led_light2(
    .reset(reset),
    .clk(clk),
    .led(led),
    .SW(SW)
);

initial clk=1;
always #10 clk=~clk;

initial begin
    reset =0;
    SW=8'b10101010;
    #201;
    reset=1;
    #2000_000_000;
    SW=8'b00000001;
    #2000_000_000;
    $stop;
end
endmodule

前半段符合10101010 

2s后变为00000001，仿真图如下：

代码中counter1的值等每次计数来一次才加一次，不然就不是按照设定的值增加。 将间隔时间设为1s。

3.1实验现象 

开关设置为10101010时，LED灯每间隔1s闪烁。多上拉几个，就多亮会儿。

4.实现4

4.1分析

实现下图所示的动态变化，1s时间是可变的，只是这里指代为1s。学习计数器不是一定要不停的计数，而是要有静有动，中途可暂停。

 需要用到三个计数器，counter1~3。

counter0：用于SW切换的间隔时间0.25s

1.计数最大值：计数的最大值为0.25*10^9/20-1=12500_000-1。

2.计数的条件为前面1s的空闲时间到，8个状态马上开始或已经开始。

3.清零条件：计数到最大值，或还在前1s的空闲状态中。

counter1：计数当前第几个LED的状态计数器

1.计数最大值：7

2.计数条件：counter0计满1次加1

3.清零条件：计数到最大值

counter2:1s的空闲状态计数器

1.计数最大值：1*10^9/20-1=5000_0000-1。

2.计数条件：8个LED状态切换完毕，counter1计满。

3.清零条件：计数至最大值

4.2实现过程

4.2.1 counter的计数

对于counter0来说，需要一会儿计数一会儿停，所以加入一个变量en_counter，当en_counter=1时，开始计数，否则就停下。

always@(posedge clk or negedge reset)
begin
    if(!reset)
        counter0 <= 1'd0;
    else if (en_counter0)
    begin
        if(counter0 == MCNT)
            counter0 <= 1'd0;
        else
            counter0 <= counter0+1'd1;
    end
end

对于counter1，直接counter0计满一次加1，满8次清0。

always@(posedge clk or negedge reset)
    if(!reset)
        counter1 <= 1'd0;
    else if (counter0 == 7)
        counter1 <= 1'd0;   
    else if (counter0 == MCNT)
        counter1 <= counter1+1'd1;   
    else
        counter1 <= counter1;

对于counter2，空闲段计数，8个0.25s内不计数。

always@(posedge clk or negedge reset)
begin
    if(!reset)
        counter2 <= 1'd0;
    else if(en_counter2)
    begin
        if(counter2 == MCNT2)
            counter2 <= 1'd0;
        else
            counter2 <= counter2+1'd1;
    end
end

4.2.2 en_counter2的判断

counter2保持计数的条件有：

（1）从复位到正常运行，需要立即开始计数。

（2）每次LED8个状态切换完，重新开始计数。

counter2停止计数的条件有：

（1）计数满1s

总结：

（1）复位时，让en_counter2置1。

（2）counter1==7 时，让en_counter2置1。

（3）counter2计满时，让en_counter2置0。

 关于第（2）个条件，我认为不附加sw计数也能满足，因为counter1==7已经都记录了8个状态了。

always@(posedge clk or negedge reset)
begin
    if(!reset)
        en_counter2 <= 1'd1;
    else if(counter1 ==7)
        en_counter2 <= 1'd1;
    else if(counter2 <= MCNT2)
        en_counter2 <=1'd0;
    else
        en_counter2 <= en_counter2;
end

4.2.3 en_counter0的判断 

counter0保持计数的条件：

（1）counter2计数计满的时候

counter0停止计数的条件;

（1）程序复位，counter0需要停止。

（2）LED的8个状态完成，counter停止。

总结：

（1）复位时，en_counter0置0；

（2）counter1==7时，en_counter0置0；

（3）counter2计满最大值时，en_counter0置1；

always@(posedge clk or negedge reset)
begin
    if(!reset)
        en_counter0 <= 1'd0;
    else if(counter1 ==7)
        en_counter0 <= 1'd0;
    else if(counter2 <= MCNT2)
        en_counter0 <=1'd1;
    else
        en_counter0 <= en_counter0;
end

 4.2.4 对case语句加判断条件

 led在空闲状态置0，所以要么en_counter1==0，要么en_counter2==1。

always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
    led <= 1'd0;
else if(en_counter2 ==1)
    led <= 1'd0;
else begin
    case(counter1)
    0:led <= SW[0];
    1:led <= SW[1];
    2:led <= SW[2];
    3:led <= SW[3];
    4:led <= SW[4];
    5:led <= SW[5];
    6:led <= SW[6];
    7:led <= SW[7];
    default:led <= led;
    endcase
end
end

4.3仿真结果 

出现问题，并未按预期波形出现。

在en_counter处加入了附加的判断条件，else if((counter1 ==7) && (counter0 == MCNT))，仿真波形还是不对。

 错误1，将这里的判断用了非阻塞符号，修改后，仿真波形仍不对。

 

en_counter0的错误也是如此。仿真波形在第二段开始出现错误，counter2计数一直为0。

问题在于：程序中counter1计数到7时就要清0，而此时在counter1计数到6完成时，counter0就已经记到0.25s了，在下一个时钟脉冲来临时，counter1被清0，所以后面的en_counter2永远不会置1。 

 

最后仿真结果相对应，led显示的波形与SW相反的原因是，在工程文件的case语句，从左到右是对应从低到高。

4.4实验现象 

 SW全部拉低，LED灯不亮；SW全部拉低，LED灯熄1s，亮2s。SW一高一低，LED熄灭一s，闪烁2s。

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