## 流水灯

### 1. 硬件平台

  - [[STEP-MXO2第一代]]
  - [[STEP-Baseboard]]

### 2. 设计要求
  - 掌握任意数分频计数功能的设计
  - 掌握时序逻辑的设计
  - 掌握case的基本语法
  - 基于小脚丫STEP FPGA Base Board开发平台LED实现流水灯的功能，总计8个LED灯，循环、轮流点亮，每个LED点亮时间为1秒

### 3. 工作原理

本设计为流水灯实验，我们需要结合使用的硬件平台实现[[STEP-Baseboard]]平台上的8个LED循环闪烁，每个LED灯点亮时间为1秒。

LED也叫发光二极管，属于二极管的一种，具有二极管的单项导电性，使用时需要给LED上施加正向压差，产生电流(一般在20mA以内，具体参考设计中使用的LED的参数)，点亮LED。本平台使用的8个LED都是通过低电平点亮（参照电路图），因此控制该LED的FPGA的IO管脚输出“1“（高电平）时LED灭，输出”0“（低电平）时LED亮。

为了使一个循环周期内每个LED点亮1秒的时间，我们需要一个持续时间为1秒的低电平信号，这可以通过本硬件平台[[STEP-MXO2第一代]]上的25MHz主时钟得到，2^25 = 33554432 > 25000000，所以我们需要做一个位宽为25的计数器。计数器初值为0，当计数到24999999时，总共计数25000000，也就是1秒时间。

为了实现流水的效果，我们需要一个寄存器，寄存器的值不同控制着不同的LED点亮，而寄存器的值在每次计数器计数到24999999时改变，这样每隔1秒时间，寄存器的值改变，对应控制8个LED按照同一方向循环闪烁，就实现了流水灯的功能。

### 4. 硬件连接

结合实验平台[[STEP-Baseboard]]的硬件配置，我们使用8个LED灯作为流水灯的输出

{{ :图10.LED模块电路连接.png |LED模块电路连接}}


### 5. 代码设计

#### 5.1 设计文件

{{ :流水灯程序设计.jpg |流水灯程序设计}}

为了实现对8个LED的控制，我们设计了25位的计数器cnt进行1s周期的循环计数，同时我们定义了一个3位寄存器led_cnt作为状态机的状态控制流水灯的闪烁。状态机共有8个状态，每一个状态对应点亮一个LED灯。

首先是计数器的设计，计数器的计数范围为0~CNT_NUM-1，为了实现每个LED灯1秒的点亮时间，设计文件代码中我们定义参数CNT_NUM为25000000，但是在仿真文件调用设计文件时，为了方便仿真，我们会将参数CNT_NUM重新赋值为10.

<code verilog>
reg [24:0] cnt = 25'd0;
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		cnt <= 25'd0;
	end else if(cnt>=CNT_NUM-1) begin
		cnt <= 25'd0;
	end else begin
		cnt <= cnt + 25'd1;
	end
end
</code>

然后我们需要对状态机的状态进行控制，使得作为状态的寄存器led_cnt实现从0到7的循环加一操作。

<code verilog>
reg [2:0] led_cnt = 3'd0;
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		led_cnt <= 3'd0;
	end else if(cnt==CNT_NUM-1) begin
		if(led_cnt==3'd7) led_cnt <= 3'd0;
		else led_cnt <= led_cnt + 3'd1;
	end
end
</code>

最后是组合逻辑，根据led_cnt的不同状态控制不同的LED点亮。

<code verilog>
always@(led_cnt) begin
	case(led_cnt)
		3'd0: led_out = 8'b1111_1110;
		3'd1: led_out = 8'b1111_1101;
		3'd2: led_out = 8'b1111_1011;
		3'd3: led_out = 8'b1111_0111;
		3'd4: led_out = 8'b1110_1111;
		3'd5: led_out = 8'b1101_1111;
		3'd6: led_out = 8'b1011_1111;
		3'd7: led_out = 8'b0111_1111;
		default: led_out = 8'b1111_1111;
	endcase
end
</code>

#### 5.2 测试文件

测试文件中我们需要对设计文件中的参数CNT_NUM进行重新赋值

<code verilog>
parameter CNT_NUM = 10;
Water_led #(.CNT_NUM(CNT_NUM))
Water_led_uut
(
.clk_in(sys_clk),
.rst_n_in(sys_rst_n),
.led_out(led_out)
);
</code>

引脚分配如下：

^ 管脚名称 | clk_in| rst_n_in | led_out[0]  |led_out[1]  |led_out[2]  |led_out[3]  |led_out[4]  |led_out[5]  |led_out[6]  |led_out[7]  |
^ FPGA管脚 | C1 | A2 |B14  |C14  |E14  |F14  |G14  |J14  |K14  |L14  |

### 6. 仿真结果

{{:流水灯仿真.jpg|流水灯仿真}}

### 7. 资源报告

^ 资源 | 数量  | 比例  | 说明  |
^ LUTs | 27   | 4%   |   |	
^ 寄存器 | 28    | 2% |   |
^ 存储器 | 0  | 0%   |    |
^ IO管脚   | 10 |   |    |
^ 时钟频率 | 25MHz |   |    |

### 8. 知识点

  * 分频设计
  * 时序控制
  * 简单状态机


### 9. 参考文档
  * [[点亮led灯]]
  * {{:machxo2familydatasheet.pdf|Lattice MachXO2数据手册}}
 

### 10. 相关文档

^ **文件名称**  | **功能** |
^ **[[Water_led.v]]** | **流水灯** |
^ **[[Water_led_test.v]]** | **测试文件** |