跑马灯实验

4.1 实验目的

        1.熟悉龙芯实验开发板、熟悉 VIVADO 的编译环境及操作流程。

        2.掌握 FPGA 编程入门知识、利用门级方法实现简单逻辑电路。

        3.继续学习 Verilog HDL 语法、掌握跑马灯的设计、熟悉调试过程。

4.2 实验原理及芯片

        本次实验用 Verilog HDL 语言来描述 6 个不同的 2 输入逻辑门电路，其中包括:与、或、与非、或非、异或和同或门，并给出仿真测试代码和约束文件代码，可通过仿真波形图和龙芯实验板卡验证其功能，同时完成跑马灯（点亮实验台上 16 个 led 灯）实验。门电路是数字电路中最基本的元件，它能实现最基本的逻辑功能。

4.3 实验内容

        1.FPGA 编程使用入门，在 VIVADO 环境下完成对简单电路工作情况的仿真模拟，掌握基本流程。

        2.利用 Verilog 编程实现基本逻辑门电路，完成配置程序的下载，并在实验台上对程序进行最终验证。

        3.点亮实验台上 16 个 led 灯。

        4.利用 Verilog 编程实现组合逻辑功能，实现跑马灯的设计 （例如：1 秒钟流水显示）。

4.4 实验步骤

        4.4.1 输入逻辑门电路验证

        逻辑关系文件：

module gates2 ( 
input a,
input b,
output [5:0] y
); 
assign y[0] = a & b; //与
assign y[1] = a |b; //或
assign y[2] = ~(a & b); //与非
assign y[3] =~(a | b); //或非
assign y[4] = a ^ b; //异或
assign y[5] = a ~^ b; //同或
endmodule

        仿真文件：

module gates2_test ( 
); 
reg a,b;
wire [5:0] y;
gates2 test_gates2(a,b,y);
initial begin
a = 0; b =0; #100; //时间常量，#100 表示延迟 100 个时间单位
a=0; b =1; #100; 
a = 1; b =0; #100; 
a = 1; b =1; #100;
end
endmodule

         实验具体步骤与对应关系不再一一阐述（群文件里都有），在这只对比输入逻辑门电路验证结果。

        仿真结果：

        真值表：

4.4.2 跑马灯实验设计

        逻辑关系文件：

module led_test (
   input sys_clk,
   input rst_n,
   output reg [15:0] led
);
   reg [31:0] timer;
   reg [15:0] led_counter;

   always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
      if (~rst_n) begin
         timer <= 32'd0;
         led_counter <= 4'b0000;
      end 
      else if (timer == 32'd199_999_999 )begin
         timer <= 32'd0;  // 计时器达到 4 秒（50M*4-1=199999999），清零计时器
         led_counter <= led_counter +1'b1;
      end
      else
         timer <= timer + 1'b1;  // 计时器加一
   end

   always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
      if (~rst_n)
         led <= 16'b0000_0000_0000_0000;  // 复位信号有效时，将 LED 清零
      else begin
        case (led_counter)
            4'b0000: led <= 16'b0000_0000_0000_0001;
            4'b0001: led <= 16'b0000_0000_0000_0011;
            4'b0010: led <= 16'b0000_0000_0000_0111;
            4'b0011: led <= 16'b0000_0000_0000_1111;
            4'b0100: led <= 16'b0000_0000_0001_1111;
            4'b0101: led <= 16'b0000_0000_0011_1111;
            4'b0110: led <= 16'b0000_0000_0111_1111;
            4'b0111: led <= 16'b0000_0000_1111_1111;
            4'b1000: led <= 16'b0000_0001_1111_1111;
            4'b1001: led <= 16'b0000_0011_1111_1111;
            4'b1010: led <= 16'b0000_0111_1111_1111;
            4'b1011: led <= 16'b0000_1111_1111_1111;
            4'b1100: led <= 16'b0001_1111_1111_1111;
            4'b1101: led <= 16'b0011_1111_1111_1111;
            4'b1110: led <= 16'b0111_1111_1111_1111;
            4'b1111: led <= 16'b1111_1111_1111_1111;
            default: led <= 16'b0000_0000_0000_0000;
            endcase
         end
   end
endmodule

        实验思路：

        本次实验要实现跑马灯的效果，设置一个计时器（timer）和一个LED计数器（led_counter）。计时器每个时钟周期加一，直到达到4秒（199,999,999个时钟周期），然后计时器清零，并且LED计数器加一。

        在第一个always块中，根据时钟信号和复位信号来控制计时器和LED计数器的行为。当复位信号有效时，计时器和LED都被清零。当计时器达到4秒时，计时器清零并且LED计数器加一。其他情况下，计时器继续加一。

        在第二个always块中，根据LED计数器的值来设置LED的输出。根据LED计数器的不同值，LED的输出会依次从1到全亮（16位二进制数）。整个模块的功能是实现一个LED计时器，每4秒LED的亮度逐渐增加，最后达到全亮状态。

        实验结果：

 

5 实验总结与反思

        两次实验中，第一次验证输入逻辑门电路较为简单，由于有老师提供的代码，自己理解起来也比较容易，按照实验步骤的指导一步步做下来，自己也是顺利的完成了第一次实验。

        在第二次实验中，由于没有老师提供的代码，在自己的摸索下，自己写出了一个跟同学不一样的跑马灯代码，通过设置一个计时器（timer）和一个LED计数器（led_counter）来实现跑马灯的效果，通过此次实验，自己也发现对Verilog HDL的理解还是不够熟悉，只停留在课本方面，没有运用到实际中，这让我看到了自己的差距，在下步的实验中，我将在课下继续努力，熟练掌握Verilog HDL语言。