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--- one_led [2021/09/15 16:12]
gongyu [3. 点亮多颗LED]
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-## 点亮LED
-就像软件编程里的“Hello World”，点灯是FPGA学习的第一步，不要小瞧这么一颗小小的灯，点灯的方式可以有多种。在本节，我们通过4个点灯的程序达到以下的目标：
-  - 体验LED的工作原理；
-  - 了解Verilog代码的结构和基本的语法规范
-  - 体会HDL语言中的bit和FPGA端口电信号的关系
-  - 体验FPGA设计从创建工程 --》 输入代码 --》 逻辑综合 --》 分配管脚 --》 生成可下载的JED文件 --》 配置FPGA整个过程（理论知识参见[[fpga_design_tool|FPGA设计流程]]）
-在本实例中，我们以Web IDE为例，同样的示例也可以通过Lattice的官方FPGA设计工具[[Diamond]]或Intel的官方设计工具[[quartus_prime]]来实现，只是要注意这些工具的使用方法和管脚的正确分配。
-### 1. 硬件说明
-在这个实验中，我们主要用到小脚丫FPGA开发板上的以下几个外设：
-  * 板上有8个LED灯，可以选用其中的任何一个做单LED的实验
-\\
-{{ ::stepfpgasch8leds.jpg?600 |}} <WRAP centeralign> 这是开发板上的8个红色LED，LED1~8信号连接到FPGA的引脚，作为FPGA输出信号控制。当FPGA输出低电平时LED变亮，当FPGA输出高电平时LED熄灭。</WRAP>
-  * 板上由2个三色LED（R-红色、G-绿色、B-蓝色），每个三色灯相当于3个独立的、不同颜色的LED组合成的，如果与三色灯保持一定的观察距离，一个三色灯里的两种以上LED点亮即可组合成其它颜色，在此只是粗略地合成，如果要精确合成不同的颜色，需要精密控制流经R、G、B上每个灯的电流（取决于灯的特性、串联的限流电阻以及控制这些管脚开关的PWM的占空比，这个以后再讲）
-{{ ::stepfpgaschrgbleds.jpg?600 |}} <WRAP centeralign> 这是开发板上的2个三色LED，(R_LED1, G_LED1, B_LED1), (R_LED2, G_LED2, B_LED2)信号连接到FPGA的引脚，作为FPGA输出信号控制。当FPGA输出低电平时，相应的LED变亮，当FPGA输出高电平时LED熄灭。</WRAP>
-  * 板上有4个按键和4个开关，用做输入控制，按键和开关的使用方式是有区别的，大家可以通过具体的使用来体会
-\\
-{{ ::stepfpgaschkeysw.jpg?600 |}} <WRAP centeralign> 这是开发板上4个按键和4个开关，Key1~4是按键控制信号，SW1~4是开关控制信号，都连接到FPGA的引脚，作为FPGA的输入信号。当按键断开时，FPGA输入为高电平，当按键按下时，FPGA输入为低电平；当开关断开（OFF）时，FPGA输入为低电平，当开关合上（ON）时，FPGA输入为高电平。</WRAP>
-所以我们可以用开关或者按键来控制LED的亮灭。
-\\
-### 2. 点亮一颗LED
-根据Web IDE的使用流程介绍，我们先创建一个叫one_led_onoff的工程，并在该工程里面创建一个叫one_led_on.v的代码（代码名字跟工程的名字不需要一致）：
-<code verilog>
-module one_led_on(led);
-output led;
-assign led = 1'b0;
-endmodule
-</code>
-这段代码可以说是最简单的一段[[Verilog]]程序了，从这段程序中可以看出Verilog语言的基本结构
-  * 以module（模块）开始，endmodule结束的一段程序为描述某一项功能的基本单元，类似基于对象编程软件里面的"类”，写一次可以被多次调用。简单的设计可能只需要一个module来包含所有的逻辑功能，复杂的设计可能就需要多个module，它们通过module的端口信号互相连接起来，它们可以并行执行。模块化的好处就是你可以直接调用别人封装好的module来使用；
-  * 每个模块都有其名字，建议用贴切含义的英文来命名（比如本示例里面的one_led_on)，可读性强，也不会出现莫名其妙的编译错误;
-  * 每个模块都有用()包裹起来的端口 - 跟其它模块或FPGA的外围电路打交道的输入输出信号，在本示例只用了一个端口led，因此()中只有一个端口的名字；
-  * 对每一个端口的属性进行定义 - 是输入还是输出，如果是内部信号，它们是导线wire类型，还是存储器reg类型？ 在这里只用了一个输出端口led，对其属性“output”进行了定义，指定其为输出信号；
-  * 定义完端口，就开始逻辑的主体，在这里也很简单，只是让led这个管脚信号为低电平，使用连续赋值的assign语句 - assign led = 1'b0, 1’b0表示为一位的数字，而且值为“0”。从电路结构角度讲，每个连续赋值语句对应一个子模块，其左侧的变量表示为电路的输出，右侧的逻辑表达式为电路需要执行的逻辑操作。
-点击Web IDE的第二个功能键“逻辑综合”，系统会自动将你写好的Verilog代码进行综合，如果没有语法错误，则给你一个Success的信息，你就可以走到下一步 - “管脚”了。 我们的Web IDE会根据你写好的module自动提取输入输出管脚的名字，你只要使用鼠标，通过图形化的界面将这些module里的端口信号的名字映射到相应的管脚上即可，在这里我们将led映射到板子上的第三个led，鼠标指向led3，其右侧会弹出一个向下的箭头，点击该箭头，就可以看到led的名字了（如果多个端口还没有分配管脚，这些未分配的端口信号的名字会出现在列表中），选中led，完成映射
-{{ :oneled_on.jpg?800 |}} <WRAP centeralign> 在“管脚分配”里将第三颗LED配置为亮 （ON），分配了管脚的地方会亮起来 </WRAP>
-点击“FPGA映射”，系统会自动根据你分配好的管脚执行，生成JED文件，如果没有错误，会列出一堆的信息后，告诉你生成了jed的文件，在这段信息中也会有详细的资源使用报告，这些资源报告的信息也是很重要的，未完成同样一个功能，不同的人写出来的逻辑占用的资源也是不同的。
-这时候您可以点击“文件下载”，选择第二个按钮“下载JED文件”，鼠标右键 --》另存为。。。指向到StepFPGA的盘即可完成对FPGA的下载编程。
-{{ :one_led_on.jpg?800 |}} <WRAP centeralign> 配置到FPGA以后的效果，第三颗LED灯亮 </WRAP>
-### 3. 点亮多颗LED
-正如上所述，我们小脚丫FPGA板上有8颗LED和2颗3色LED，总计8+6=14颗，我们通过逻辑让某些灯亮，某些灯灭，看看代码如何写，实际的效果如何？
-比如：
-  * 8颗LED灯中的1、2、5、6、8亮
-  * 第一个RGB灯中的绿色灯亮
-  * 第二个RGB灯中的蓝色灯亮
-  * 其它灯都关掉
-代码如下：
-<code verilog>
-module one_led_on(led, led_r1, led_g1, led_b1, led_r2, led_g2, led_b2);
-output [8:1] led;                // define 8 led signals to be output
-output led_r1, led_g1, led_b1;
-output led_r2, led_g2, led_b2;
-assign led_r1=1'b1;              // set signal of this pin = 1 to turn off the led connected to this pin
-assign led_g1=1'b0;              // make the green led on
-assign led_b1=1'b1;
-assign led_r2=1'b1;
-assign led_g2=1'b1;
-assign led_b2=1'b0;              // make the blue led on
-assign led = 8'b01001100;         // set bit 8, 6, 5, 2, 1 = 0 to make led 8, 6, 5, 2, 1 on
-endmodule
-</code>
-**Verilog语法说明**：
-  * 此模块增加了一些管脚，需要对每一个管脚做端口说明（目前都还是”输出“的属性），并对每个管脚的信号电平进行赋值，对应于“亮”的LED赋值为0， 对应于“灭”的LED赋值为1。每一个连续赋值语句对应于一个电路结构，这些电路都是并行执行的，因此语句的顺序不会影响到最终的综合结果，这是与单片机的程序（顺序执行）不同的地方；
-  * 8个LED可以分别写在端口里，并逐个赋值，也可以以8位位宽的**向量**方式来定义，在端口了只需要写一个led的名字即可，在端口定义的部分指定有多少个位 - [8:1] led, 为8位，名字分别外led[8] (对应于LED8)....led[1]（对应于LED1）
-  * 一个好的代码，要对一些重要的信息给出“注释”说明，单行注释可以用//的方式， //后面的部分为注释内容。多行注释（又被称为块注释）以两个字符/* 开始，并以*/结束，其中的多行内容都会被认为是注释内容，在仿真或综合的时候被忽略掉。为增强可读性和兼容性，注释部分最好用英文来写
-管脚分配图如下：
-{{ :14led_onoff_pinout.jpg? 1000 |}} <WRAP centeralign> 8颗单色的LED和两颗的3色LED都被分配了管脚 </WRAP>
-下载到小脚丫FPGA板子上，实际的效果验证
-{{ :14led_onoff_result.jpg?800 |}} <WRAP centeralign>将JED文件下载到FPGA板子以后的效果 </WRAP>
-### 4. 开关控制LED的亮和灭
-<code verilog>
-// ********************************************************************
-// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
-// ********************************************************************
-// File name    : LED_onoff_sw.v
-// Module name  : led_onoff_sw
-// Author       : STEP
-// Description  : control 8 leds on and off with 4 push buttons and 4 switchs
-// Web          : www.stepfpga.com
-//
-// --------------------------------------------------------------------
-// Code Revision History :
-// --------------------------------------------------------------------
-// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2021/09/15   |Initial ver
-// --------------------------------------------------------------------
-// Module Function: use external button to control leds
-module LED (key,sw,led);
-	input [3:0] key;			// 4 push buttons input
-	input [3:0] sw;				// 4 switchs input
-	output [7:0] led;			// output control signals to 8 leds
-	assign led = {key,sw};                  //assign led signal values to 4 keys input + 4 switches input
-endmodule
-</code>
-**Verilog语法说明**：
-  * 规范的代码需要对该模块进行充分的注释说明，因此在此段代码的前部，我们增加了更详细的信息 - 文件名、作者、日期、简单的描述、版本号等等，这些信息对于代码的管理和控制是非常有必要的，因此要养成良好的习惯。我们硬禾实战营在学员的培训过程中专门制定了一套代码规范 - [[stepfpga_code_spec|硬禾实战营FPGA代码规范]]
-  * 虽然使用的输入输出端口多了，代码却变简单了，这是因为用到的信号都是可以成组进行定义和操作的，比如4个按键、4个开关和8个LED，只有三种不同性质的端口，而且这三种端口之间的逻辑关系非常清晰；
-  * 最后的assign语句中用到了拼接符{}，key的4位和sw的4位拼接在一起，映射到led的8位上。
-管脚分配如下：
-{{ :led_onoff_with_input.jpg? 1000 |}} <WRAP centeralign>将模块端口的16个信号分别分配给8个LED和4个按键、4个开关</WRAP>
-将生成的JED文件下载到FPGA板以后的效果：
-{{ :ledwithinput.mp4 |}}
-<WRAP centeralign>用开关和按键可以控制LED的on/Off, 正常开关和按键的状态都为高电平，8个LED都处于灭的状态，改变开关和按键的装填可以让LED亮起来，按键、开关和LED一一对应。</WRAP>
-### 5. 开关控制LED的颜色组合
-从逻辑的角度，这段代码跟第4节的代码没什么区别，用了一个三色LED灯代替8个单色的灯，目的是为了让大家通过实际的效果体会一下三色灯的颜色搭配。
-代码见下：
-<code verilog>
-// ********************************************************************
-// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
-// ********************************************************************
-// File name    : RGBLED.v
-// Module name  : RGBLED_SW
-// Author       : STEP
-// Description  : control RGB LED with 3 switchs
-// Web          : www.stepfpga.com
-//
-// --------------------------------------------------------------------
-// Code Revision History :
-// --------------------------------------------------------------------
-// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2021/09/15   |Initial ver
-// --------------------------------------------------------------------
-// Module Function: Use 3 switches to control one RGB LED's on/off and color change。
-module RGBLED_SW (sw,led);
-	input [2:0] sw;				//input control signals with 3 switchs
-	output [2:0] led;			//output signals to 1 RGB LED
-	assign led = sw;                        //assign sw value to led
-endmodule
-</code>
-分配一下管脚：
-{{ :rgbled_switchs.jpg |}} <WRAP centeralign> 一颗RGB和3个开关被映射到端口信号上 </WRAP>
-下载到小脚丫FPGA板子上，实际的效果验证
-{{ :rgbled_sw.mp4 |}}
-<WRAP centeralign>将JED文件下载到FPGA板子以后的效果 </WRAP>
-### 6. 小结
-通过4段代码，我们体验了对LED的开关控制以及最基本的Verilog语法要求和代码构成，以及开关和按键的控制差异，这为后期的输入输出控制、状态输出展示打下了基础。