3.4 流水灯实例

本节将介绍从新建工程到仿真实现流水灯设计的全过程，即实现4个LED灯像流水一样轮流亮灭。

3.4.1 硬件介绍

本实例选用Xilinx公司推出的Spartan-6系列芯片。开发板上共有8个红色的LED灯，本实例涉及4个LED灯。

4个LED灯对应的FPGA芯片管脚情况如下。

LED0——PIN：P17

LED1——PIN：P16

LED2——PIN：P15

LED3——PIN：P14

3.4.2 创建工程

完成流水灯实验的首要步骤是创建新工程，然后在该工程内进行编写代码、综合和仿真等工作。

【例3-19】创建流水灯工程。

（1）启动ISE Project Navigator开发环境，在开始菜单中选择ISE Design Suite 14.7→ISE Design Tools→Project Navigator（这里选32-bit还是64-bit需要由用户的操作系统是32位还是64位决定），如图3-56所示。

（2）在ISE Project Navigator开发环境里选择菜单命令File→New Project，如图3-57所示。

（3）在弹出的对话框中输入工程名和工程存放的目录，这里指定led_test作为工程名，工程存放的路径可以自己选择，如图3-58所示，单击Next按钮。

（4）在接下来的对话框中选择开发板所用的FPGA器件型号并进行工程参数配置。这里Family栏选择Spartan6，Device栏选择XC6SLX9，Package（封装）为TQG144，使用Verilog语言编程，单击Next按钮，如图3-59所示。

（5）直接单击Finish按钮完成工程创建，如图3-60所示。

3.4.3 编写Verilog代码

在工程创建完毕后，即可编写相应的Verilog代码。

【例3-20】创建流水灯工程。

（1）新建led_test文件（选择菜单命令Project→New Source），在弹出的New Source Wizard对话框中选择Verilog Module并输入文件名led_test，如图3-61所示。

（2）在端口定义对话框中可以先不作任何定义，直接单击Next按钮，如图3-62所示。

（3）单击Finish按钮完成文件新建工作，如图3-63所示。

（4）接下来编写led_test.v程序。这里定义了一个32位的寄存器timer，用于循环计数0~199（4μs），计数到49（1μs）的时候，点亮LED1；计数到99（2μs）的时候，点亮LED2；计数到149（3μs）的时候，点亮LED3；计数到199（4μs）的时候，点亮LED4，依次循环。具体的操作代码如下。

（5）编写好代码后保存，led_test.v自动成为工程的顶层文件，如图3-64所示。

3.4.4 UCF管脚约束

ISE的UCF文件主要用于完成管脚、时钟以及组的约束。本例需要将led_test.v程序中的输入／输出端口分配到FPGA的真实管脚上，为此要准备一个FPGA的引脚绑定文件led_test.ucf并添加到工程中。

【例3-21】编写UCF管脚约束。

（1）单击File→New，新建一个空白文件，在弹出的对话框中选择Text File，如图3-65所示。

（2）在这个Text文件中添加以下引脚定义代码。

需要注意的是，UCF文件代码是大小敏感的，端口名称必须与源代码中的名字一致，且端口名字不能和关键字相同。但是关键字NET是不区分大小写的。

（3）将代码保存为文件led_test.ucf，单击Project→Add source命令，把led_test.ucf文件添加到工程中，如图3-66所示。

3.4.5 编译工程

保存工程并开始编译：单击Generate Programming File项软件自动生成bit文件，用于FPGA的配置。

编译成功后在Console窗格出现编译成功的信息，如图3-67所示。

3.4.6 ISE仿真

接下来让ISE自带的仿真工具输出波形，以验证流水灯程序实现的结果和预想的是否一致。

【例3-22】使用ISE仿真验证流水灯设计。

（1）在使用ISE仿真前需要确认设置，单击菜单命令Project→Design Properties，如图3-68所示。

如图3-69所示，先确认Simulator的选择为ISim（VHDL/Verilog）。其实此项在新建工程时已经设定好了，为保万无一失，还是确认一下。

（2）接下来编写测试脚本文件。单击Project→New Source命令，如图3-70所示。

（3）如图3-71所示，选择新建源文件类型为Verilog Test Fixture，输入测试脚本文件的名字vtf_led_test和存放路径。

（4）这里Associate Source是所选择测试脚本对应的设计源文件。由于只有一个设计源文件，因此选中led_test.v，然后单击Next按钮，如图3-72所示。

（5）单击Finish按钮完成设置，如图3-73所示。

（6）这里的测试脚本只是一个基本模板，它把设计文件led_test的接口在这个模块里例化声明了，接下来需要手动添加复位和时钟激励。完成后的脚本文件如下。

（7）保存后vtf_led_test.v成为这个仿真Hierarchy的顶层文件了，选中vtf_led_test.v文件，然后双击Simulation Behavioral Model，随后启动仿真程序，如图3-74所示。

（8）将时间单位设置为1μs，多次单击按钮运行，结果如图3-75所示。

3.4.7 ModelSim仿真验证

接下来使用仿真工具ModelSim输出波形，验证流水灯程序实现的结果和预想的是否一致。

【例3-23】使用ModelSim仿真验证流水灯程序。

（1）在使用ISE仿真前需要确认一下设置，单击菜单的Project→Design Properties命令，如图3-76所示。如图3-77所示，将Simulator的选择改为ModelSim-SE Mixed。

（2）先切换到Simulation模式，再选中led_test.v文件，右击依次选择Simulate Behavioral Model和Process Properties，弹出Process Properties对话框，在右边的Compiled Library Directory输入框填入之前编译库时设置的已编译库的路径C:\Xilinx\Xilinx_lib。其他选项使用默认设置即可，单击OK完成设置，如图3-78所示。

本节（3）~（6）步与3.4.6节（3）~（6）步相同，这里不再赘述。

（7）保存设置后vtf_led_test.v成为这个仿真Hierarchy的顶层了，它下面是设计文件led_test.v。选中文件vtf_led_test.v，然后双击Simulation Behavioral Model，随后启动仿真，如图3-79所示。

（8）在ModelSim界面，可以打开Wave窗格查看设计效果。ModelSim的使用并不难，如何使用的资料网上也很多，大家要多动手，多尝试，相信很快就会上手。这里把led_test.v程序里的timer计数器放到Wave窗格中观察，如图3-80所示。

（9）将时间单位设置为1μs，单击Restart按钮复位，再多次单击Run按钮，ModelSim会运行到$stop的地方，如图3-81所示。

（10）在Wave窗格可以看到timer寄存器在复位信号rst_n变高后开始计数，如图3-82所示。

（11）因为在仿真程序vtf_led_test.v里设置的仿真时间比较短，所以可以屏蔽掉vtf_led_test.v程序中的$stop语句，让程序一直运行。修改vtf_led_test.v文件后保存，如图3-83所示。

（12）重新打开ModelSim软件，单击Restart按钮和Run all按钮，ModelSim开始运行。多次单击Run按钮，这时可以看到led的信号值会逐个变0，说明LED逐个被点亮，如图3-84所示。

仿真平台通常选用ModelSim，本书在展示之后的仿真实例时均使用ModelSim。通过学习本实例，读者会对ISE软件的基本用法有初步了解。