孩子都能学会的FPGA：第二课——第一个FPGA工程（用计数器实现流水灯）

chdaj58 · 发表于 2023-11-16 13:43:51

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（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如果需要整个工程请加微信15092150280索要即可，不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

软件编程人员入门的第一个程序一般都是在屏幕上打印hello，world!这就像是一个里程碑，标志着大家要进入软件的编程世界！而FPGA开发人员的第一个里程碑是实现流水灯，当把编译好的下载文件烧写到板卡，看着流水灯不停的闪烁，就是在欢迎您进入FPGA的编程世界！

流水灯看似简单，实则包含硬件运行的最基本的哲理。板卡上电后流水灯会一直闪烁，就如时间日复一日，年复一年，永不停止，如果用英语的一个词来描述，那就是always！对FPGA来说，就是要上电后一直运行下去，这就是所谓的FPGA之道！所以FPGA的工程，不管大小，都是由一个个always块组合而成的！

对于第一个FPGA工程，要求很简单，系统时钟是100MHz，低电平复位，假设有4个led灯（都是高电平点亮，低电平熄灭），按照1秒的频率进行流水闪烁（第1秒1号灯亮，2-4号灯灭；第2秒2号灯亮，1，3，4号灯灭；第3秒3号灯亮，1，2，4号灯灭；第4秒4号灯灭，1-3号灯灭，然后以此反复就可以达到流水灯的效果）。

要实现流水灯，首先要实现计数器。计数器是FPGA开发中用的最多的模块，就如乐高中的那个最基本的积木。工程的要求是按照1秒的频率进行流水闪烁，那就要实现1秒的计数器，每当计数到1秒4个灯就流水一次。本工程的系统时钟是100MHz，那计数一秒就是计数100_000_000次，而FPGA计数一般是从0开始，那计数99_999_999次就是一秒。

分析差不多了，那就说一下计数器的设计要点，首先是计数器的开始条件，本工程流水灯一直运行，那计数器的开始条件就是系统上电，就是上电稳定后计数器要一直运行的；其次是计数器的清零条件（停止条件），本工程有两个清零条件，一个是系统复位（就是复位信号拉低），一个是计数时间到1秒，就是计数器加到了99_999_999；还有就是计数器累加（减）条件，本工程只要有系统时钟，复位信号没有拉低，计数器就会一直累加下去。

还有一点要特别注意，就是当计数器的清零条件和累加条件同时满足的情况下，谁的优先级高？我们一般把清零当成特殊处理，累加当成正常处理。 不管是硬件编程还是软件编程编程，一般的共识是先处理特殊，再处理正常，所以清零的优先级比累加的优先级高！

其实可以具体分析一下，比如在计数到99_999_999后，下一个时钟周期清零和累加的条件同时满足，这时候如果清零，计数器就可以从0重新开始累加，功能正常；这时候如果累加，那计数值就会变成100_000_000，第二个清零条件计数到99_999_999就会失效，计数器就会一直累加下去，从而功能异常。

下面是计数器的FPGA编程，首先定义了系统时钟SYS_CLK是100_000_000，然后定义了一个32位的计数器one_second_cnt，用于1秒时间的计数；还定义了一位线网信号one_second_done，用于指示1秒时间到。

always块中主要实现了计数器one_second_cnt的清零和递增，if的优先级最高，else if次之，else最低。就是复位清零的优先级最高，计数到1秒清零的条件次之，递增的优先级最低。初学者常常把计数到1秒和递增的优先级弄反，结果计数器一直递增下去，造成功能错误！

根据多年的FPGA开发经验，给出如下的建议：不管是计数器模块还是其它的模块，建议按照优先级把所有的特殊处理列举完，剩下else就是正常的处理！

我们看一下计数器的modelsim仿真结果（由于计数99_999_999次仿真时间较长，仿真时改为了计数9次）。如下所示，在复位rst_n信号拉低的情况下，计数器是在初始的清零状态；当计数值one_second_cnt达到9后执行的是清理操作，在其它情况下都是进行的累计操作。

我们可以把计数值改成64，重新仿真，展开计数器one_second_cnt展开看一下，就会发现一个很有趣的现象，one_second_cnt[0]是时钟clk的2分频，one_second_cnt[1]是时钟clk的4分频，one_second_cnt[2]是时钟clk的8分频，one_second_cnt[3]是时钟clk的16分频，one_second_cnt[4]是时钟clk的32分频。。。。。。就是说如果clk是128MHz，one_second_cnt[0]是64MHz，one_second_cnt[1]是32MHz，one_second_cnt[2]就是16MHz，one_second_cnt[3]是8MHz。。。。。。这些分频的信号在后续的开发中会大发神威，我们后续再说，所以计数器是不是很神奇呀！

计数器设计完毕了，下面就该流水灯登场了。基本的工作都完成了，那流水灯实现就很简单了，流水灯的模块设计如下。流水灯就是要流水闪亮起来，在复位rst_n拉低的情况下给流水灯一个默认值，就是1号灯两，2-3号等灭，即流水灯的默认值是0001。每当计数时间到，即线网信号one_second_done拉高的时候，流水灯的值左移一位，高位移出来的值补到最低位，这样就形成了一个封闭的圆圈，最终实现了流水灯！

我们看一下流水灯的modelsim仿真图，在rst_n的时候leds是0001，然后one_second_done拉高后就是在0001->0010->0100->1000->0001这样循环流水。

目前的工程里面有两个always模块了，那这两个模块是怎么运行的？如下所示，计数器模块在上面，流水灯模块在下面，那是不是一般的顺序执行，先执行计数器，再执行流水灯？不是的，我们把这两个模块换一下位置，功能还是一样的。所以大家要记住：一个工程里面的所有always块是同时执行的，没有任何的先后顺序！就像小学常用一边一边来造句，比如我一边走路，一边唱歌，走路和唱歌是同时发生的，没有先后顺序！

我们也可以把上面两个always合成一个always，功能也是一样的，但是不建议这样写，因为多个信号交织在一起，加大了设计的难度，同时也增加了后续的维护成本。比如后续要修改一个信号变化的条件，按照下面的编程方式可能会引起另外一个信号的异常变化。