状态机思想编程练习

状态机实现LED流水灯

本次实验，我们将利用状态机的思想来进行Verilog编程实现一个LED流水灯，并通过Modelsim来进行模拟仿真，再到DE2-115开发板上进行验证。 ​ 首先进行主要代码的编写。

 module led (
     input        sys_clk,
     input        sys_rst_n,
     output reg [7:0] led
 );
 ​
 // 状态定义（8个状态）
 parameter S0 = 3'd0,
           S1 = 3'd1,
           S2 = 3'd2,
           S3 = 3'd3,
           S4 = 3'd4,
           S5 = 3'd5,
           S6 = 3'd6,
           S7 = 3'd7;
 ​
 parameter MAX_COUNT = 25_000_000; // 0.5秒@50MHz
 ​
 reg [2:0] current_state;    // 当前状态寄存器
 reg [2:0] next_state;       // 下一状态寄存器
 reg [25:0] counter;         // 26位定时计数器
 ​
 // 状态寄存器
 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
     if (!sys_rst_n)
         current_state <= S0;                // 异步复位
     else        
         current_state <= next_state;    // 正常状态转移
 end
 ​
 // 计数器逻辑
 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
     if (!sys_rst_n)
         counter <= 0;       // 复位清零
     else if (current_state != next_state)
         counter <= 0;       // 状态切换时清零
     else
         counter <= counter + 1;
 end
 ​
 // 状态转移逻辑
 always @(*) begin
     case (current_state)
         S0: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S1 : S0;
         S1: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S2 : S1;
         S2: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S3 : S2;
         S3: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S4 : S3;
         S4: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S5 : S4;
         S5: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S6 : S5;
         S6: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S7 : S6;
         S7: next_state = (counter == MAX_COUNT-1) ? S0 : S7;
         default: next_state = S0;
     endcase
 end
 ​
 // 输出逻辑（循环右移模式）
 always @(*) begin
     case (current_state)
         S0: led = 8'b00000001;
         S1: led = 8'b00000010;
         S2: led = 8'b00000100;
         S3: led = 8'b00001000;
         S4: led = 8'b00010000;
         S5: led = 8'b00100000;
         S6: led = 8'b01000000;
         S7: led = 8'b10000000;
         default: led = 8'b00000001;
     endcase
 end
 ​
 endmodule

然后为了能在Modelsim中进行模拟仿真，我们还需要编写一个测试模块代码。

 `timescale 1ns/1ps
 ​
 module tb_led();
 ​
 reg sys_clk;
 reg sys_rst_n;
 wire [7:0] led;
 ​
 // 实例化被测试模块（缩小计数器值便于仿真）
 led_fsm_8bit #(.MAX_COUNT(3)) uut (
     .sys_clk(sys_clk),
     .sys_rst_n(sys_rst_n),
     .led(led)
 );
 ​
 // 生成50MHz时钟
 initial begin
     sys_clk = 0;
     forever #10 sys_clk = ~sys_clk;  // 20ns周期=50MHz
 end
 ​
 // 测试流程控制
 initial begin
     // 初始化
     sys_rst_n = 0;
     #20;                    // 等待一个时钟上升沿
     sys_rst_n = 1;
     
     // 运行2000ns（观察完整状态周期）
     #2000;
     $finish;
 end
 ​
 // 监控输出
 initial begin
     $monitor("Time = %tns | State = %d | LED = %08b",
              $time, uut.current_state, led);
 end
 ​
 endmodule

编写完测试代码并成功编译后，就可以准备进行模拟仿真了，首先对仿真文件进行绑定，选择Setting-->EDA Tool Settings-->Simulation。

然后就可以进行模拟仿真了。

仿真完成后，进行DE2-115开发板的实物验证。首先对管脚进行配置。

把程序烧录到开发板，就可以看到效果。

CPLD和FPGA

对比维度	CPLD	FPGA
核心架构	基于乘积项（Product-Term）和宏单元（Macrocell），结构简单，逻辑资源有限	基于查找表（LUT）和寄存器，逻辑单元（LE）灵活组合，资源丰富
存储技术	采用EEPROM或Flash工艺，非易失性，无需外部配置芯片	基于SRAM工艺，掉电丢失配置数据，需外部存储器
资源规模	逻辑单元较少（几十至几百宏单元），适合小规模逻辑设计	逻辑单元可达数百万级，支持大规模复杂设计
时序特性	连续式布线，延迟均匀且可预测	分段式布线，延迟不可预测
功耗	静态功耗较高，适合低复杂度场景	动态功耗优化更好，适合高性能计算
编程灵活性	编程次数有限（约1万次），逻辑固化后不可重构	支持无限次动态重构，灵活适配不同算法
启动时间	上电即用，无需配置时间	需从外部加载配置数据，存在启动延迟

CPLD的典型应用场景：简单逻辑控制比如状态机、地址译码、总线控制等组合逻辑密集型任务；某些接口的转换，比如电平转换（TTL与LVDS）、I/O扩展、协议适配（SPI转UART）；胶合逻辑，这在复杂系统中作为"粘合剂"，可以连接不同功能模块（DSP与存储器间的控制逻辑）；低功耗需求场景比如工业控制、仪器仪表中的简单逻辑处理。 ​

FPGA的典型应用场景：复杂时序逻辑比如如高速数据处理（通信协议处理、雷达信号处理）、实时控制（自动驾驶传感器融合）；并行计算加速：数字信号处理（DSP）、AI推理、图像处理（ISP算法加速）；动态重构系统，常用于需要硬件功能随需求变化的场景（软件定义无线电）；高性能计算如数据中心加速、加密解密、科学仿真等对算力要求高的领域。 ​

从设计复杂度上看，CPLD适用于门数小于1万的设计，FPGA更适合大规模设计（>10万门）。从时序要求上看，CPLD延迟可预测，适合实时性强的控制逻辑；FPGA虽延迟不可预测，但通过时序约束优化可实现高频运行（如500MHz以上）。从功耗与成本上看，CPLD成本低但功耗较高，FPGA能效比更优但需要额外配置芯片。从技术融合趋势上看，现代CPLD（如Altera MAX系列）逐渐采用FPGA的LUT架构，界限模糊，但核心差异仍存在。

hdlbitsFPGA组合逻辑练习

D触发器

D锁存器

Two gates

计数器1-12

简单电路A

总结

本次实验通过状态机设计方法，成功实现了LED流水灯的Verilog编程，并在Modelsim中进行了仿真验证，最终在DE2-115开发板上进行了实物验证。此外，通过对CPLD和FPGA的对比分析，进一步加深了对这两种器件的理解，为今后的设计提供了参考。