1、LED的基本原理

LED，又名发光二极管。LED灯工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光），抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。由于这些优点，LED灯被广泛用在仪器仪表中作指示灯、液晶屏背光源等诸多领域。不同材料的发光二极管可以发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白这八种颜色的光。下图是可以发出黄、红、蓝三种颜色的直插型二极管实物图，这种二极管长的一端是阳极，短的那端是阴极。

下图是开发板上用的贴片发光二极管实物图。贴片二极管的正面一般都有颜色标记，有标记的那端就是阴极。

发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性。给它加上阳极正向电压后，通过5mA左右的电流就可以使二极管发光。通过二极管的电流越大，发出的光亮度越强。不过我们一般将电流限定在3~20mA之间，否则电流过大就会烧坏二极管。

2、串行与并行实现的区别

大多数开发板的LED都是设计成阴极接地，而阳极接到FPGA（或者单片机）的IO管脚上，所以我们只需要对IO口赋值即可实现LED的亮灭（赋值高电平==LED亮；赋值低电平==LED灭）。相信大多数同学都有C语言和单片机的基础（什么？你没有？那你还不去学），所以我们先来看一下单片机完成流水灯是怎么做的：

#include<reg52.h>#define uchar  unsigned char
#define uint   unsigned int sbit LED1 = P2^0;
sbit LED2 = P2^1;
sbit LED3 = P2^2;
sbit LED4 = P2^3;
sbit LED5 = P2^4;
sbit LED6 = P2^5;
sbit LED7 = P2^6;
sbit LED8 = P2^7;void delay(uint z)
{uint x,y;for(x = 0; x < z; x++)for(y = 0; y < 113; y++);
}void main(void)
{while(1){LED1 = 0;           //灯亮delay(1000);        //持续亮1sLED1 = 1;           //灯灭delay(1000);        //持续灭1sLED2 = 0;delay(1000);LED2 = 1;delay(1000);LED3 = 0;delay(1000);LED3 = 1;delay(1000);LED4 = 0;           //灯亮delay(1000);        //持续亮1sLED4 = 1;           //灯灭delay(1000);        //持续灭1s}
}

直接看main函数：串行设计的流水灯是怎么实现的呢？

1、首先点亮第1个LED----延时1s----熄灭第1个LED；
- 2、然后点亮第2个LED----延时1s----熄灭第2个LED；
  - 3、然后点亮第3个LED----延时1s----熄灭第3个LED；
    - 4、最后点亮第4个LED----延时1s----熄灭第4个LED；

可以看到整个结构都是顺序执行下来的，即符合单片的顺序结构，也非常契合人类的思维方式。那么FPGA不是顺序结构的，而是并行结构，无法直接一条一条指令地执行，那么该如何实现流水灯？

FPGA的工作是无法离开时钟的（组合逻辑除外）。我们可以设计一个always块，实现计数（或者说是计时）功能：每来一个时钟，让寄存器cnt的值累加1，直到加到预先设计的阈值再从0开始循环。假设FPGA的工作频率是50M，那么周期就是20ns。要实现计数到1s，则需要计数1s/20ns = 50_000_000次。所以我们的计时模块，就从0计数到50_000_000 – 1，即可实现计数1s。

同时我们再设计一个always块（LED显示），每当计数模块计数到了1s，就让LED的输出变化一次。比如初始显示最右边的LED，第1s到来时切换显示右边数第2个LED；第2s到来时切换显示右边数第3个LED；第3s到来时切换显示最左边的LED。这样就可以实现LED的流水显示了。

从上面的分析，可以通过流程图来直观感受串行设计与并行设计的不同：

3、流水灯的具体实现

第二章实际上已经把流水灯的实现方法阐明了：

构造一个计时器，循环计时1s
构造显示的always块，每当计数器计时到1s，则切换LED显示状态

1s计时器

上面算了在50M的时钟频率下，计数到1s需要计数50000000次，这个数转换成二进制需要26位才能表示，所以寄存器cnt的位宽是26位，如下：

reg  [25:0]  cnt;                                    //1s计时器always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)cnt <= 26'd0;                              //复位为0else if(cnt == 50_000_000 - 1)                  //计数到1scnt <= 26'd0;                               //清零计数器else                                         //计数不到1scnt <= cnt + 1'd1;                        //计数器每个周期累加1
end

LED显示

每当计数器计时到1s，则切换LED显示状态：第一次只显示最右边的LED1，下一次显示LED2，再下一次显示LED3，下一次显示LED4，然后重复显示LED1，如此循环，如下图所示：

该部分代码如下：

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)led <= 4'b0001;                                //复位为最右边的点亮else if(cnt == 50_000_000 - 1)                 //计数到1s//拼接运算。把最高位（最左边的LED）移动到最低位，第2、1、0位作为整体向左移动一位led <= {led[2:0],led[3]};       else                                            //计数不到1s    led <= led;                                 //保持LED状态不变
end

需要注意的是：我们是使用移位运算符来实现LED的循环移位：把右边三位【2：0】变成高3位【3：1】，而最高位【3】变成最低位【0】，即可显示LED显示的整体左移。

完整代码如下;

//**************************************************************************
// *** 名称 : led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯，循环左移
//**************************************************************************module led_flow
//============================< 信号 >======================================
(
//时钟和复位 --------------------------------------------
input                   sys_clk                 ,   //系统时钟50M
input                   sys_rst_n               ,   //低电平有效的异步复位
//DDR3写 ------------------------------------------------
output  reg [3:0]       led                         //LED的赋值电平
);reg   [25:0]  cnt;                                    //1s计时器always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)cnt <= 26'd0;                              //复位为0else if(cnt == 50_000_000 - 1)                  //计数到1scnt <= 26'd0;                               //清零计数器else                                         //计数不到1scnt <= cnt + 1'd1;                        //计数器每个周期累加1
endalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)led <= 4'b0001;                                //复位为最右边的点亮else if(cnt == 50_000_000 - 1)                 //计数到1s//拼接运算。把最高位（最左边的LED）移动到最低位，第2、1、0位作为整体向左移动一位led <= {led[2:0],led[3]};       else                                            //计数不到1s    led <= led;                                 //保持LED状态不变
endendmodule

4、仿真测试

进行仿真测试的时候，我们把代码稍微改下：1s计时模块改成1ms计时模块，即50_000_000改为50_000。原因是若计时1s则仿真需要的时间太长。仿真的testbench比较简单，只需要提供时钟和复位激励即可，如下：

//**************************************************************************
// *** 名称 : tb_led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯，循环左移的测试模块
//**************************************************************************`timescale 1ns/1ns     //时间单位/精度//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module  tb_led_flow();reg           sys_clk;
reg             sys_rst_n;wire  [3:0]   led;//------------<例化被测试模块>----------------------------------------
led_flow    led_flow_inst(.sys_clk  (sys_clk    ),.sys_rst_n    (sys_rst_n  ),.led          (led        )
);//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial beginsys_clk = 1'b0;                  //初始时钟为0sys_rst_n <= 1'b0;             //初始复位#5                                //5个时钟周期后sys_rst_n <= 1'b1;                //拉高复位，系统进入工作状态end
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 sys_clk = ~sys_clk;     //系统时钟周期20nsendmodule

使用modelsim执行仿真，仿真结果如下：

可以看到：

4个led的初始结果是0001（1代表LED亮，0代表灭），所以此时最右边的LED1亮，其他LED熄灭
1ms（仿真为节省时间改为1ms，实际上板验证是1s）后led的值变成了0010，代表此时仅LED2亮，其他LED熄灭
再1ms后led的值变成了0100，代表此时仅LED3亮，其他LED熄灭
再1ms后led的值变成了1000，代表此时仅LED4亮，其他LED熄灭
再1ms后led的值变成了0001，代表此时仅LED1亮，其他LED熄灭
一直循环上面的状态，以此来实现LED的流水显示

5、上板测试

绑定对应管脚，全编译整个文件，将sof文件通过JTAG接口下载进FPGA开发板，观察其实验现象。结果如下：

可以看到LED以1S的速度向左循环移位，实现了预期的流水灯效果。

6、其他

创作不易，如果本文对您有帮助，还请多多点赞、评论和收藏。您的支持是我持续更新的最大动力！
关于本文，您有什么想法均可在评论区留言。如果需要整个工程，请在评论留下邮箱或者私信我邮箱（注意保护隐私）。
自身能力不足，如有错误还请多多指出！

版本信息

文件：V1.0

编号：0002

Quartus II：Quartus II 13.1 (64-bit)

Modelsim：Modelsim SE-64 2020.4

FPGA极易入门教程----LED篇（1）跑马灯（流水灯）跑起来相关推荐

FPGA极易入门教程----汇总篇（直达链接）
为什么要写这个系列? 根据费曼学习法,最好的学习方法就是教会一个外行人(初学者).知识分享,独乐乐不如众乐乐.现在FPGA市场巨大,人才缺口很大.我本着能拉一个上贼船就拉一个上贼船的想法来写这个系列文 ...
FPGA极易入门教程----工具篇（2）Quartus II 的在线调试工具 In-System Sources and Probes（ISSP）
1.什么是ISSP?ISSP有什么用? Quartus II提供了In-System Sources and Probes Editor调试工具,通过JTAG接口使用该工具可以驱动和采样内部节点的逻辑 ...
FPGA极易入门教程----工具篇（1）建立你的第一个FPGA工程（点亮LED）
1.规范的文件夹规范的文件夹划分管理也是十分重要的,若是把所有文件,例如设计文件.设计表格.图片.Quartus工程相关文件.仿真文件等不同类型的文件都统一放在一个目录下,将会使得整个文件夹臃肿不堪 ...
FPGA极易入门教程----数码管篇（1）静态显示
1.数码管简介数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管.数码管按段数一般分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管(多一个小数点显示).当然也还有一些其他类型的数 ...
C51教程第二个51程序：跑马灯流水灯
keil+proteus 第二个51程序 : 跑马灯流水灯这是一个AT89c51单片机教程,我们每次都会提供博文教程以及附带资料下载. 单片机就是一个小型CPU,在电子领域应用广泛,电视.冰箱.洗 ...
泰凌微8258入门教程进阶篇③——LIGHT HSL+CT 彩色灯+色温灯调光
文章目录一.前言二.刷新Light函数 light_dim_refresh() 三.Light硬件引脚 light_res_hw 一.前言 HSL彩色灯调光和CT色温灯调光 ,前面两篇博文都有讲述 ...
【STM32】标准库菜鸟入门教程（3）闪烁及流水灯
目录 GPIO GPIO基本结构 GPIO位结构 GPIO模式器件原理解析 LED 面包板: 蜂鸣器: 小文件分享 LED闪烁源代码百度云地址: 第一步:使用RCC开启GPIO时钟第二步:使用G ...
ESP32-C3入门教程 IoT篇⑥——阿里云物联网平台 EspAliYun RGB LED 实战之设备批量生产工具
阿里云物联网平台ESP32设备批量工具文章目录一.前言二.软件框架三.阿里云物联网平台API 3.1 查询设备 3.2 添加设备四.二维码生成五.csv生成六.csv转bin 七.bin ...
Python极简入门教程
前言为了方便各位小白能轻松入门Python,同时加深自己对Python的理解,所以创造了"Python极简入门教程",希望能帮到大家,若有错误请多指正,谢谢.极简入门教程代表着不 ...

FPGA极易入门教程----LED篇（1）跑马灯（流水灯）跑起来