Lab 1 - 实验手册1

实验手册1 - 利用8个LED形成流水灯显示 实验背景： 在电子设计领域，FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它允许开发者根据需求自定义电路逻辑。Spartan-3E FPGA Starter Kit Board是Xilinx公司推出的一款面向学习和开发的平台，其内置的8个LED灯可以用于简单的视觉输出，便于理解和验证数字电路设计。本实验旨在通过控制这些LED灯，实现一种称为“流水灯”的动态显示效果。 实验目标： 实验的核心目标是生成1 Hz的秒脉冲，并以此驱动8个LED依次亮起，形成连续滚动的显示效果。这个过程不仅涉及硬件接口的理解，还涵盖了数字逻辑设计的基础知识，如计数器、时序逻辑、并行到串行转换等。 实验原理与步骤： 1. **时钟信号**：实验中提到的`CLK_50MHz`是一个全局时钟信号，频率为50 MHz，这意味着每个时钟周期为20纳秒。为了实现1 Hz的秒脉冲，我们需要一个分频器，将高频率的时钟信号降低到1 Hz。 2. **计数器设计**：计数器是实现流水灯显示的关键部分。在这里，我们需要一个模8计数器，每当接收到时钟脉冲时，计数值加1，直到达到8后回零。这种计数器被称为“模8异步重置计数器”。 3. **状态机**：状态机用于控制LED的亮灭顺序。它可以是基于D触发器的状态机，每一个状态对应一个特定的LED亮起。当计数器的值变化时，状态机也会更新，进而改变LED的状态。 4. **并行到串行转换**：计数器的输出是并行的，而LED需要串行控制。因此，需要一个移位寄存器将并行数据转化为串行数据，逐位驱动LED。 5. **逻辑门设计**：结合计数器和状态机的输出，可能还需要使用逻辑门（如AND、OR、NOT、XOR等）来确保正确的LED点亮顺序。 6. **Verilog或VHDL代码实现**：使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）编写上述逻辑的代码，然后在Xilinx ISE或其他类似工具中进行编译和仿真，验证设计是否符合预期。 7. **下载与测试**：将编译后的比特流文件下载到FPGA芯片中，观察实物板上的LED显示效果。如果一切正常，LED将按照设定的顺序依次点亮，形成流水灯效果。 实验总结： 通过本实验，学生可以掌握FPGA基本的逻辑设计和硬件描述语言编程技巧，理解时序逻辑和控制逻辑的设计原理。此外，还能提升对数字系统工作原理的理解，以及动手实践和问题解决的能力。实验的成功完成是进入更复杂FPGA项目的基础，如接口设计、数字信号处理、嵌入式系统等。