3. 戏说VHDL之入门游戏一：流水灯

一． 流水灯

1.1流水灯原理

流水灯是每个学电子的入门“游戏” ，示意图如图1，其原理极其简单，但是可玩性却极强，可以就8个LED写出不同花样的程序。在1.2中我们列出两个不同思路的代码作为VHDL的入门例程。





图1 流水灯电路图

1.2 流水灯例程

这里提供两个不同的代码。

第一个代码的思路是先对系统时钟分频，产生1s信号（即变量count取值到25000000，这样分频时间=20ns*25000000*2=1s）,然后使用移位操作符指令进行操作。该指令是在VHDL93中引入的，包括sll,srl,sla,sra,rol,ror6个指令，指令操作如图2一目了然。值得注意的是，使用该指令，左操作数必须是BIT_VECTOR类型，右操作数必须是INTEGER类型（前面可以有负号）。





图2 移位操作符示意图

例如：令x <= “10110”,则

y <= x sll 2 ;--逻辑左移两位，y <= “ 11000”,空余位填充0

y <= x srl 2 ;--逻辑右移两位，y <= “00101”,空余位填充0

y <= x sla 2 ;--算术左移两位，y <= “11000”,空余位复制最右边上的数值

y <= x sra 2 ;--算术右移两位，y <= “11101”,空余位复制最左边上的数值

y <= x rol 2 ;--循环逻辑左移两位，y <= “11010”,左侧移出位填补到右侧

y <= x ror 2 ;--循环逻辑右移两位，y <= “10101”,右侧移出位填补到左侧

例程一：

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library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

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entity VHDL_LEDWATER1 is

port (

Clk    : in  STD_LOGIC;             --创建时钟端口，连接开发板PIN23

Rst     : in  STD_LOGIC;            --创建复位端口，连接开发板PIN116

Output : out BIT_VECTOR(7 downto 0) --创建输出端口，对应8个LED。分别

--为PIN142-PIN133，要使用移位操作符

);                                         --其左侧必须为BIT_VECTOR类型

end VHDL_LEDWATER1;

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architecture behave of VHDL_LEDWATER1 is

signal Clk1 : STD_LOGIC;             --建立中间时钟信号

begin

P1:process(Clk)

variable count : INTEGER range 0 to 25 := 0; --变量初始值不可综合，在仿真中使用，并

variable count1: STD_LOGIC := '1';           --且为便于仿真，这里取到25，当烧写到开

--发板时候，改写为25000000即可

begin

if(Rst = '0') then

count := 0;

elsif(Clk'event and Clk = '1') then

count := count + 1;

if(count = 25) then --这里使用=,而不是>=,可以防止产生比较器,节省硬件资源

count := 0;

count1 := not count1;

end if;

end if;

Clk1 <= count1;

end process P1;

P2:process(Clk1)

variable temp : BIT_VECTOR(7 downto 0) := "11111110";--注意左操作数类型

begin

if(Clk1'event and Clk1 = '1') then

temp := (temp rol 1);

end if;

Output <= temp;

end process P2;

end architecture;

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仿真波形：




从仿真波形中，可以验证例程的正确性。

第二个代码的思路是先对系统时钟分频，产生1s信号,然后对该1s信号进行模8计数，再利用case-when语句进行判断，进而控制LED。

例程二：

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library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;--该库定义了std_logic(8值)和std_ulogic（9值）多值逻辑结构

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entity LEDWATER is

port (

Clk    : in  STD_LOGIC;                  --创建时钟端口，连接开发板PIN23

Rst    : in  STD_LOGIC;                  --创建复位端口，连接开发板PIN116

Output : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) --创建输出端口，连接开发板PIN142-PIN133

);

end LEDWATER;

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architecture BEHAVIOR_LEDWATER of LEDWATER is

signal Clk1 : STD_LOGIC;                           --建立中间时钟信号

begin

P1: process(Clk)                                          --进程1，对时钟信号进行N分频

variable count : INTEGER range 0 to 25 := 0;--变量初始值不可综合，在仿真中使用

variable count1: STD_LOGIC := '1';

begin

if(Rst = '0') then

count := 0;

elsif(Clk'event and Clk = '1') then

count := count + 1;

if(count = 25) then

count := 0;

count1:= not count1;

end if;

Clk1 <= count1;

end if;

end process;

P2: process(Clk1)                                  --进程2，对分频信号进行计数，进而控制LED亮灭

variable count2 : INTEGER range 0 to 8 := 0;--变量初始值不可综合，在仿真中使用

begin

if(Clk1'event and Clk1 = '1') then

count2 := count2 + 1;

if(count2 = 8) then

count2 := 0;

end if;

end if;

case count2 is

when 0 => Output <= "11111110";

when 1 => Output <= "11111101";

when 2 => Output <= "11111011";

when 3 => Output <= "11110111";

when 4 => Output <= "11101111";

when 5 => Output <= "11011111";

when 6 => Output <= "10111111";

when 7 => Output <= "01111111";

when others => Output <= (others => 'Z');

end case;

end process;

end BEHAVIOR_LEDWATER;

仿真波形：




从仿真波形中，可以验证例程的正确性。

1.3 总结

其实，肯定还有其他精妙的想法，这里只列举了两种代码作为学习的开头。不过通过两个代码的学习，也熟悉了移位操作符和case-when语句的使用。下一节将开始数码管的学习。

参考文献：

[1] Volnei A.Pedroni.VHDL 数字电路设计教程[M].北京:电子工业出版社,2009:39-40;

[2] http://leonmoon.blog.hexun.com/4609284_d.html