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Intel FPGA (1)：线性序列机

news 2026/3/27 19:04:42

Intel FPGA (1)：线性序列机

前提摘要

个人说明：
- 限于时间紧迫以及作者水平有限，本文错误、疏漏之处恐不在少数，恳请读者批评指正。意见请留言或者发送邮件至：“Email:noahpanzzz@gmail.com”。
- 本博客的工程文件均存放在：GitHub:https://github.com/panziping。
- 本博客的地址：CSDN:https://blog.csdn.net/ZipingPan。
参考：
- 芯片型号：Intel EP4CE10F17C8(Cyclone IV E)
- 《数字电子技术基础》-阎石
- 《FPGA自学笔记—设计与验证》袁玉卓，曾凯锋，梅雪松
- 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻
- 《Verilog HDL 高级数字设计》Michael D.Ciletti
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（基础篇）王欣王江宏等
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（高级篇）王江宏蔡海宁等
- 《综合与时序分析的设计约束 Synopsys设计约束（SDC）实用指南》Sridhar Gangadharan
日期：
- 2024-01-01

正文

点亮LED灯

硬件资源

在这里插入图片描述

由原理图可知，FPGA的IO口输出低电平，则LED点亮。

程序编写

module led_test(led
);output led;assign led = 1'b0;endmodule

点亮LED灯进阶

将LED点亮200ms，熄灭800ms。

程序编写

module led_test(clk,rst_n,led
);input clk;input rst_n;output reg led;reg [27:0] r_led_cnt;localparam LED_CNT_MAX = 28'd50_000_000;localparam LED_CNT_TURN = 28'd40_000_000;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_led_cnt <= 'd0;else if(r_led_cnt == LED_CNT_MAX-1)r_led_cnt <= 'd0;elser_led_cnt <= r_led_cnt + 1'd1;endalways@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)led <= 1'd1;else if(r_led_cnt == LED_CNT_TURN-1)led <= 1'd0;else if(r_led_cnt == LED_CNT_MAX-1)led <= 1'd1;elseled <= led;endendmodule

波形图

在这里插入图片描述

由上述实验可以发现，通过计数器可以产生一个占空比不是50%的周期信号。那么是不是由此可以引申，通过计数器对时钟计数，产生一串带有数字信息的信号。

线性序列机（LSM）

产生一段信号，包含的内容为11011010，每个码元所占用的时间为50us。

module tx_test(clk,rst_n,tx
);input clk;input rst_n;output reg tx;reg [15:0] r_tim_cnt;localparam TIM_CNT_MAX = 16'd20_000;localparam DATA0 = 16'd2_500;localparam DATA1 = 16'd5_000;localparam DATA2 = 16'd7_500;localparam DATA3 = 16'd10_000;localparam DATA4 = 16'd12_500;localparam DATA5 = 16'd15_000;localparam DATA6 = 16'd17_500;localparam DATA7 = 16'd20_000;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_tim_cnt <= 'd0;else if(r_tim_cnt == TIM_CNT_MAX-1)r_tim_cnt <= 'd0;elser_tim_cnt <= r_tim_cnt + 1'd1;endalways@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)tx <= 1'd1;else if(r_tim_cnt == DATA0 - 1'd1)tx <= 1'd0;else if(r_tim_cnt == DATA1 - 1'd1)tx <= 1'd1;else if(r_tim_cnt == DATA2 - 1'd1)tx <= 1'd0;else if(r_tim_cnt == DATA3 - 1'd1)tx <= 1'd1;else if(r_tim_cnt == DATA4 - 1'd1)tx <= 1'd1;else if(r_tim_cnt == DATA5 - 1'd1)tx <= 1'd0;else if(r_tim_cnt == DATA6 - 1'd1)tx <= 1'd1;else if(r_tim_cnt == DATA7 - 1'd1)tx <= 1'd1;else tx <= tx;end//	always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
//		if(!rst_n)
//			tx <= 1'd1;
//		else 
//			case(r_tim_cnt)
//			DATA0-1'd1: tx <= 1'd0;
//			DATA1-1'd1: tx <= 1'd1;			
//			DATA2-1'd1: tx <= 1'd0;
//			DATA3-1'd1: tx <= 1'd1;		
//			DATA4-1'd1: tx <= 1'd1;
//			DATA5-1'd1: tx <= 1'd0;			
//			DATA6-1'd1: tx <= 1'd1;
//			DATA7-1'd1: tx <= 1'd1;			
//			default:tx <= tx;
//			endcase
//	end
//	endmodule

波形图

在这里插入图片描述

由上述实验可以发现，通过线性序列机产生了8bits（11011010）的信号。那么是不是对于串行信号都可以通过线性序列机进行输出。

数码管驱动

上述是线性序列机（LSM）的简单应用。

这一部分展示线性序列机应用在数码管驱动电路中（完整请见(Intel FPGA (3)：数码管显示)），需要通过线性序列机产生三个信号seg_sclk（sh_cp）,seg_rclk（st_cp）,seg_dio(ds)。

波形图

在这里插入图片描述

程序编写

module hc595_driver(clk,rst_n,seg_data,seg_data_valid_go,seg_sclk,seg_rclk,seg_dio
);input clk;input rst_n;input [15:0] seg_data;input seg_data_valid_go;output reg seg_sclk;output reg seg_rclk;output reg seg_dio;reg [15:0] r_seg_data;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_seg_data <= 'd0;else if(seg_data_valid_go == 1'b1)r_seg_data <= seg_data;elser_seg_data <= r_seg_data;endlocalparam DIV_CNT_MAX = 4;			//fsh_cp = 6.25MHzreg [2:0] r_div_cnt;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_div_cnt <= 'd0;else if(r_div_cnt == DIV_CNT_MAX -1)r_div_cnt <= 'd0;else	r_div_cnt <= r_div_cnt + 1'b1;endwire w_sclk_pluse;	//SH_CPassign w_sclk_pluse = (r_div_cnt == DIV_CNT_MAX -1) ? 1'b1 :1'b0;reg [4:0] r_sclk_edge_cnt;	//SH_CPalways@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_sclk_edge_cnt <= 'd0;else if(w_sclk_pluse == 1'b1)if(r_sclk_edge_cnt == 5'd31)r_sclk_edge_cnt <= 'd0;elser_sclk_edge_cnt <= r_sclk_edge_cnt + 1'd1;elser_sclk_edge_cnt <= r_sclk_edge_cnt;endalways@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginseg_sclk <= 1'd0;seg_rclk <= 1'd0;seg_dio <= 1'd0;endelse begincase(r_sclk_edge_cnt)5'd0 : begin seg_sclk = 1'b0; seg_rclk = 1'b1; seg_dio = r_seg_data[15]; end //Q2H(HEX_DP)5'd1 : begin seg_sclk = 1'b1; seg_rclk = 1'b0;  								 end 5'd2 : begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[14]; end //Q2G(HEX_G)5'd3 : begin seg_sclk = 1'b1;								   						 end5'd4 : begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[13]; end //Q2F(HEX_F)5'd5 : begin seg_sclk = 1'b1;														    end5'd6 : begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[12]; end //Q2E(HEX_E)5'd7 : begin seg_sclk = 1'b1;														    end5'd8 : begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[11]; end //Q2D(HEX_D)	5'd9 : begin seg_sclk = 1'b1;														    end5'd10: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[10]; end //Q2C(HEX_C)	5'd11: begin seg_sclk = 1'b1;														    end5'd12: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[9];  end //Q2B(HEX_B)	5'd13: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd14: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[8];  end //Q2A(HEX_A)5'd15: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd16: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[7];  end //Q1H(HEX_SEL7)		5'd17: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd18: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[6];  end //Q1G(HEX_SEL6)5'd19: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd20: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[5];  end //Q1F(HEX_SEL5)5'd21: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd22: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[4];  end //Q1E(HEX_SEL4)		5'd23: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd24: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[3];  end //Q1D(HEX_SEL3)			5'd25: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd26: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[2];  end //Q1C(HEX_SEL2)	5'd27: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd28: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[1];  end //Q1B(HEX_SEL1)	5'd29: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 end5'd30: begin seg_sclk = 1'b0;				        seg_dio = r_seg_data[0];  end //Q1A(HEX_SEL0)5'd31: begin seg_sclk = 1'b1;					    									 enddefault:;endcaseendendendmodule

总结

线性序列机可以画出任意波形的数字信号！常用作为最低层RTL设计。

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