LED驱动实验

眼高手低不可取，必须动手去做去调才能逐渐进步。本文是一个简单的FPGA工程，实现了根据按键输入，对应不同LED输出的简单功能。包含了实验资源介绍，仿真内容，实验过程，Verilog设计代码，以及功能/时序仿真，详细展示了FPGA的开发流程和操作细节。

目录

一、资源介绍

二、仿真内容

１、内容：

2、目的：

三、实验过程

1、新建ISE工程：

2、Veilog设计电路

新建设计文件

Veilog设计

功能仿真

         时序仿真​

一些细节

3、上板验证

引脚分配

上板验证

四、笔记总结

1、FPGA开发流程

2、软件

3、设计经验

4、注意

五、参考资料

---

一、资源介绍

EDA工具：ISE14.7

仿真软件：Modelsim

芯片：Spartan6

开发板：AX309

仿真相关开发板资源介绍：

1、LED

开发板为共阴极LED，即输入为1才能点亮LED。LED电路以及LED连接到FPGA芯片的引脚如下：

                  

可以看出，FPGA芯片的这几个引脚连接到LED上，而LED是共阴极。要想驱动LED，就需要在这几个引脚输出高电平。

２、按键

按键电路以及按键连接到FPGA芯片的引脚如下：

      

可以看出，FPGA芯片的这几个引脚连接到按键上，而按键按下时会将引脚与地连接。即：这几个引脚作为芯片的输入，按键按下时，输入为0，反之输入为1；

二、仿真内容

１、内容：

配合按键实现LED的不同显示:

• 默认情况下LED全亮；
• 按键1按下，LED整体闪烁；
• 按键2按下，LED流水；

2、目的：

• 熟悉FPGA开发流程，熟悉ISE软件使用，熟悉调试流程。
• 初步理解外设资源的使用。
• 熟悉Verilog语法。

三、实验过程

1、新建ISE工程：

选择File->New Project：

随后设置工程名称，以及工程文件存放的位置，点击NEXT：

随后选择器件型号等参数：

主要为：系列（family）-型号（Device）-封装（package）-语言（Language）

 

点击Next后，出现工程的设置信息。检查出现问题，点击Back回到之前的设置部分重新设置；检查无误后点击Finish完成工程创建。

2、Veilog设计电路

新建设计文件

开始电路设计的第一步就是新建Veriliog设计文件，不同EDA软件的新建过程或者文件名称略有差异，但是本质都是Verilog设计文件。

以ISE为例：

点击Project->New Source，或者直接在工程文件上右键，即可得到新建文件选项（类似，如果要直接添加已有的设计文件，可以直接点击Add Source选择文件实现添加）：

选择文件类型为Verilog Module（即Verilog的电路设计文件） ，设置文件名称以及存储路径，默认将设计文件添加到当前工程中（如右下角√）

点击Next，同样为新建设计文件的配置信息，检查出现问题，点击Back回到之前的设置部分重新设置；检查无误后点击Finish完成设计文件创建。

注意：

不同EDA软件的新建过程或者文件名称存在差异，但是本质都是一样的。即：先创建一个工程，设置工程名称以及存储，选择器件（即工程要在怎样的平台运行）。工程设置完成需要添加设计文件，测试文件，管脚约束等等，同样有文件名称、存储位置、文件类型等的选择。

如quartus新建Verilog设计文件的步骤如下：

Veilog设计

设计代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: 
// Engineer: CLL guoliang             
// 
// Create Date:    11:41:34 05/17/2020 
// Design Name: 
// Module Name:    led_test 
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool versions: 
// Description: 
//
// Dependencies: 
//
// Revision: 
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments: 
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module led_test(
	input clk,
	input rst_n,
	input key1,
	input key2,
	
	output reg [3:0]led
    );

//
//parameter LEDP = 49_999; 
//
reg [31:0]cnt;
reg key2_r;
wire key2_f;
// 功能描述-led显示部分
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		begin
			led <= 4'b1111;//复位/默认led全亮
		end
	else if(!key1)
		begin
			if(cnt == 32'd49)// key1按下时，led按照1s间隔闪烁
				begin
					led <= ~led;
				end
			else
				begin
					led <= led;
				end
		end
	else if(!key2)
		begin
			if(key2_f)// key2按下时，led首先初始化为只有一个灯亮，随后led按照1s间隔流水闪烁
				begin
					led <= 4'b0001;
				end
			else if(cnt == 32'd49)
				begin
					led <= {led[2:0],led[3]};
				end
			else 
				begin
					led <= led;
				end
		end
	else 
		begin
			led <= 4'b1111;
		end
end

// 功能描述-计数部分（分频）
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		begin
			cnt <= 32'd0;
		end
	else if(cnt==32'd49)
		begin
			cnt <= 32'd0;
		end
	else
		begin
			cnt <= cnt+1'b1;
		end
end

// 功能描述-key2_f生成（按键2按下时，led流水灯初始化）
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		begin
			key2_r <= 1'b1;
		end
	else
		begin
			key2_r <= key2;
		end
end
assign key2_f = key2_r & (~key2);
endmodule

注意：

• 此时为了功能仿真简单，将计数值设置为了49；但是在实际电路中，必须将计数值设置的比较大。因为在50Mhz的时钟下，计数50次相当于1us，如果LED按照这一频率闪烁，人眼压根分别不出。
• 为简化设计，此处按键模块未考虑按键去抖。

设计完成，双击Synthesize-XST，执行综合，验证设计是否存在语法错误；无误时会生成相应的RTL硬件电路。

 Consel中显示综合结果，显示综合成功与否，如果出错应该返回设计进行查错与修改。可进一步点击Errors和Warnings，查看设计中存在的错误与警告。

功能仿真

新建测试文件，与新建设计文件类似，但是此处选择文件类型为Veilog Test Fixture；随后设置文件名称、存储位置等。

随后点击Next，转至设计源文件选择界面（ISE自动生成测试文件，因此必须选择测试文件对应哪一个设计文件）

选择完成点击Next，转至信息界面，显示测试文件位置，类型，名称，以及对应哪一个设计文件。确认无误后点击Finish。

       

 测试文件添加完成后，选择simulation进入仿真界面，这时就能看见测试文件。双击打开，可以看到测试文件确实对应之前选定的led设计文件（测试文件中已经进行了模块例化）。但是测试文件只是一个大致框架，需要进一步按照个人意愿修改扩充。

 

仿真文件如下:

`timescale 1ns / 1ps

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: 
// Engineer:	guoliang CLL
//
// Create Date:   13:16:31 05/17/2020
// Design Name:   led_test
// Module Name:   F:/IseFiles/led_test/tsb/led_tsb.v
// Project Name:  led_test
// Target Device:  
// Tool versions:  
// Description: 
//
// Verilog Test Fixture created by ISE for module: led_test
//
// Dependencies:
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module led_tsb;

	// Inputs
	reg clk;
	reg rst_n;
	reg key1;
	reg key2;

	// Outputs
	wire [3:0] led;

	// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
	led_test uut (
		.clk(clk), 
		.rst_n(rst_n), 
		.key1(key1), 
		.key2(key2), 
		.led(led)
	);

	initial
	begin
		clk = 1;
		forever #10 clk = ~clk;
	end
	
	initial 
	begin
		// Initialize Inputs
		rst_n = 0;
		key1 = 1;
		key2 = 1;

		// Wait 100 ns for global reset to finish
		#100;
		rst_n = 1;
		key1 = 0;
		#(20000)
		key1 = 1;
		key2 = 0;
		#20000;
		$stop;
	end
      
endmodule

测试文件编写完成以后，选中测试文件，随后双击Simulate Behavioral Model，启动仿真。 仿真结果如下：

 
 

可以看出:

    默认（复位结束）LED为全亮（1111）；

    按键1按下（为0），按键2未按下（为1）时：LED按照一定周期亮灭交替，与设计一致。

    按键1未按下（为1），按键2按下（为0）时：LED开始按照同样的周期进行流水循环，并且流水循环初始化（即led=0001）只进行了一次，与设计一致。

    led状态的改变在计数到49处发生，说明LED周期也和设计一致。

至此，功能仿真验证通过。

 时序仿真

在功能仿真部分，我们设置了激励，验证了设计的逻辑无误。完成功能仿真后，我们需要进行布局布线，随后进行时序仿真。

要进行时序仿真，首先需要进行实现（布局布线），即将综合输出的逻辑网表翻译成所选器件的底层模块与硬件原语（翻译过程），将设计映射到器件结构上（映射过程），进行布局布线（布局布线过程）。

双击Implement Design，进行实现。

翻译-映射-布局布线成功后，即可调用Modelsim进行时序仿真。 操作类似，选择Simulation选项，随后选择Post-Route仿真模式，选定仿真测试文件，随后双击Simulate Post-Place 选项，唤起Modelsim执行时序仿真。

                   

可以看出，时序仿真的时候，计数值相比于clk的上升沿存在一定的时延；同样，led状态的转换相比于计数值，也存在一定的时延。作为比较，下图是功能仿真的结果：

可以看出，时序仿真时，计数值cnt在clk上升沿来临后一段时间才会改变；

led状态的转换，发生在时钟上升沿来临后，并且计数值为49以后，因此滞后于计数值改变。

一些细节

1、为便于修改计数值，设计中最好不要将计数值写死，否则修改起来需要全篇改动，增加额外的工作量。

2、每次修改了设计文件，或者测试文件后，不必要再次重启Modelsim进行仿真，而需要在Modelsim中Recompile改动了的文件，Restart仿真即可。

详细：

在WORK中找到修改了的文件，右键点击Recompile，完成后Restart仿真即可。

3、Modelsim中如何添加模块内部信号到波形窗口。

在sim栏中，选中希望观测的模块，然后右键，选择add wave即可将该模块中所有的信号添加到波形界面；也可以左键选中该模块，然后在右侧隔壁的Objects窗口中，可以选择你希望观测的信号，然后右键，选择add wave按钮。

详见：【Modelsim常见问题】如何添加子模块信号到波形窗口观测

4、文件存放时注意区分类型，如工程文件存放在prj文件夹，测试文件放在tsb文件夹，设计文件放在rtl文件夹等，通过这样的操作可以方便以后的文件管理。

3、上板验证

引脚分配

上板验证的首要任务应该完成引脚分配，此处采用约束文件方式进行管脚约束。

新建一个Text文件，在其中进行管脚约束，随后按照.ucf格式存储。

约束文件如下：

##
NET clk LOC = T8 | TNM_NET = sys_clk_pin | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 50000 kHz;
##


##
NET rst_n                                 LOC = L3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33"; ## Reset Button
##

########LED Pin define#####################
NET led<0>                        		       LOC = P4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED1
NET led<1>                       	          LOC = N5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED2
NET led<2>                                    LOC = P5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED3
NET led<3>                                    LOC = M6 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED4

NET key1                        		       LOC = C3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## key1
NET key2                       	          LOC = D3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## key2

保存后，需要将编写的约束文件添加到工程中：ADD Source，选择对应文件，添加后可以在工程目录看到。

                 

保存项目，点击Generate Programming File 进行编译，生成bit流文件，用于FPGA的配置。 编译成功后，可以在console窗口看到成功信息。

至此，经过了工程建立，Verilog代码的编写与调试，经过了功能仿真，布局布线，时序仿真，端口分配，生成bit流文件，以及期间不断地调试修改。终于可以将bit流文件下载到板子上进行实际验证。

上板验证

双击Configure Target Device打开iMpact软件进行FPGA的下载。

双击Boundary Scan进行JTAG链路扫描。

随后，右键选择Initialize Chain ，初始化链路后识别到FPGA芯片。

　　　　　

双击芯片，即可选择要下载的bit文件，选择后，点击右键选择Program进行下载，下载成功会有提示。

    

至此，可以观测板子上的现象，进一步验证设计。

实测：看不出LED闪烁---原因是之前为了便于仿真，将延时设置为了1us（49计数），频率过高导致无法分辨；

修改设计文件，再次仿真成功！

 

至此，led实验基本结束。如果要固化程序，则需要进一步将配置文件下载到掉电不丢失的Flash中。此处不再进行。

四、笔记总结

1、FPGA开发流程

• 明确设计（要求、功能等）
• 电路设计
• 编译综合，调试修改
• 功能仿真，调试修改
• 布局布线
• 时序仿真，调试修改
• IO分配
• 生成bit文件
• 下载实测，调试修改
• 固化、存档

2、软件

• 常见的EDA工具有XiIinx的ISE、Vivado，Alter的Quartus。具体操作可能有所差异，但是本质是一样的。

3、设计经验

• 可以灵活使用parameter参数，便于设计的调试与修改
• 时刻记得一个良好的代码风格的重要性，编写整齐、统一、易懂、易调、易移植的代码。

4、注意

• 文件存储时注意分类，工程文件、测试文件、设计文件、约束文件，以及文档等分开存储，无疑给后续的文件管理提供了便利。

五、参考资料

黑金Sparten6开发板AX309教程

小梅哥系列学习教材