初めての FPGA LED ウインカーを構築する方法:ステップバイステップのチュートリアル

ステップバイステップ ガイド:初めての FPGA LED ウィンカーの構築

パート 1:VHDL または Verilog の設計

このチュートリアルでは、ユーザー定義の周波数で LED を駆動する VHDL および Verilog コードを作成する方法を学びます。ワークフローに最適な言語を選択してください。

HDL を作成するときは、デザインが意図したとおりに動作することを確認する必要があります。間違いは避けられないので、シミュレーションは不可欠です。このチュートリアルは 2 つの重要なフェーズに分かれています:

シミュレーションをスキップすると、ハードウェア上でのデバッグにコストがかかる可能性があります。シミュレーションを必須のチェックポイントとして扱います。

プロジェクトの要件

50% のデューティ サイクルで LED を 100Hz、50Hz、10Hz、または 1Hz で点滅させる HDL を作成します。 2 つのスイッチで希望の周波数を選択し、追加の LED_EN LED を有効にするには、スイッチを High にする必要があります。 FPGA は 25MHz 発振器で動作します。

周波数セレクターの真理値表:

シグナルの概要:

4 つの同時カウンタ プロセスが 25MHz クロックを監視し、ターゲット周波数ごとにトグルを生成します。特定の周波数が選択されていない場合でも、そのカウンターは実行され続けます。これは、ハードウェア同時実行の中心原則です。

スイッチは、選択されたトグルを LED 出力にルーティングするマルチプレクサを形成します。マルチプレクサは純粋に組み合わせロジックであるため、クロックなしで動作します。

以下は、アーキテクチャを示すブロック図です。

VHDL の実装

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
entity tutorial_led_blink is
 port (
 i_clock : in std_logic;
 i_enable : in std_logic;
 i_switch_1 : in std_logic;
 i_switch_2 : in std_logic;
 o_led_drive : out std_logic
 );
end tutorial_led_blink;
architecture rtl of tutorial_led_blink is
 -- Constants to create the frequencies needed:
 -- Formula is: (25 MHz / 100 Hz * 50% duty cycle)
 -- So for 100 Hz: 25,000,000 / 100 * 0.5 = 125,000
 constant c_CNT_100HZ : natural := 125000;
 constant c_CNT_50HZ : natural := 250000;
 constant c_CNT_10HZ : natural := 1250000;
 constant c_CNT_1HZ : natural := 12500000;
 -- These signals will be the counters:
 signal r_CNT_100HZ : natural range 0 to c_CNT_100HZ;
 signal r_CNT_50HZ : natural range 0 to c_CNT_50HZ;
 signal r_CNT_10HZ : natural range 0 to c_CNT_10HZ;
 signal r_CNT_1HZ : natural range 0 to c_CNT_1HZ;
 
 -- These signals will toggle at the frequencies needed:
 signal r_TOGGLE_100HZ : std_logic := '0';
 signal r_TOGGLE_50HZ : std_logic := '0';
 signal r_TOGGLE_10HZ : std_logic := '0';
 signal r_TOGGLE_1HZ : std_logic := '0';
 -- One bit select wire.
 signal w_LED_SELECT : std_logic;
 
begin
 -- All processes toggle a specific signal at a different frequency.
 -- They all run continuously even if the switches are
 -- not selecting their particular output.
 
 p_100_HZ : process (i_clock) is
 begin
 if rising_edge(i_clock) then
 if r_CNT_100HZ = c_CNT_100HZ-1 then -- -1, since counter starts at 0
 r_TOGGLE_100HZ <= not r_TOGGLE_100HZ;
 r_CNT_100HZ <= 0;
 else
 r_CNT_100HZ <= r_CNT_100HZ + 1;
 end if;
 end if;
 end process p_100_HZ;
 p_50_HZ : process (i_clock) is
 begin
 if rising_edge(i_clock) then
 if r_CNT_50HZ = c_CNT_50HZ-1 then -- -1, since counter starts at 0
 r_TOGGLE_50HZ <= not r_TOGGLE_50HZ;
 r_CNT_50HZ <= 0;
 else
 r_CNT_50HZ <= r_CNT_50HZ + 1;
 end if;
 end if;
 end process p_50_HZ;
 
 p_10_HZ : process (i_clock) is
 begin
 if rising_edge(i_clock) then
 if r_CNT_10HZ = c_CNT_10HZ-1 then -- -1, since counter starts at 0
 r_TOGGLE_10HZ <= not r_TOGGLE_10HZ;
 r_CNT_10HZ <= 0;
 else
 r_CNT_10HZ <= r_CNT_10HZ + 1;
 end if;
 end if;
 end process p_10_HZ;
 
 p_1_HZ : process (i_clock) is
 begin
 if rising_edge(i_clock) then
 if r_CNT_1HZ = c_CNT_1HZ-1 then -- -1, since counter starts at 0
 r_TOGGLE_1HZ <= not r_TOGGLE_1HZ;
 r_CNT_1HZ <= 0;
 else
 r_CNT_1HZ <= r_CNT_1HZ + 1;
 end if;
 end if;
 end process p_1_HZ;
 
 -- Create a multiplexor based on switch inputs
 w_LED_SELECT <= r_TOGGLE_100HZ when (i_switch_1 = '0' and i_switch_2 = '0') else
 r_TOGGLE_50HZ when (i_switch_1 = '0' and i_switch_2 = '1') else
 r_TOGGLE_10HZ when (i_switch_1 = '1' and i_switch_2 = '0') else
 r_TOGGLE_1HZ;
 
 -- Only allow o_led_drive to drive when i_enable is high (and gate).
 o_led_drive <= w_LED_SELECT and i_enable;
end rtl;

Verilog の実装

module tutorial_led_blink 
(
 i_clock,
 i_enable,
 i_switch_1,
 i_switch_2,
 o_led_drive
 );
 input i_clock;
 input i_enable;
 input i_switch_1;
 input i_switch_2;
 output o_led_drive;
 
 // Constants (parameters) to create the frequencies needed:
 // Input clock is 25 kHz, chosen arbitrarily.
 // Formula is: (25 kHz / 100 Hz * 50% duty cycle)
 // So for 100 Hz: 25,000 / 100 * 0.5 = 125
 parameter c_CNT_100HZ = 125;
 parameter c_CNT_50HZ = 250;
 parameter c_CNT_10HZ = 1250;
 parameter c_CNT_1HZ = 12500;
 // These signals will be the counters:
 reg [31:0] r_CNT_100HZ = 0;
 reg [31:0] r_CNT_50HZ = 0;
 reg [31:0] r_CNT_10HZ = 0;
 reg [31:0] r_CNT_1HZ = 0;
 
 // These signals will toggle at the frequencies needed:
 reg r_TOGGLE_100HZ = 1'b0;
 reg r_TOGGLE_50HZ = 1'b0;
 reg r_TOGGLE_10HZ = 1'b0;
 reg r_TOGGLE_1HZ = 1'b0;
 
 // One bit select
 reg r_LED_SELECT;
 wire w_LED_SELECT;
 

begin
 // All always blocks toggle a specific signal at a different frequency.
 // They all run continuously even if the switches are
 // not selecting their particular output.
 always @ (posedge i_clock)
 begin
 if (r_CNT_100HZ == c_CNT_100HZ-1) // -1, since counter starts at 0
 begin 
 r_TOGGLE_100HZ <= !r_TOGGLE_100HZ;
 r_CNT_100HZ <= 0;
 end
 else
 r_CNT_100HZ <= r_CNT_100HZ + 1;
 end
 
 always @ (posedge i_clock)
 begin
 if (r_CNT_50HZ == c_CNT_50HZ-1) // -1, since counter starts at 0
 begin 
 r_TOGGLE_50HZ <= !r_TOGGLE_50HZ;
 r_CNT_50HZ <= 0;
 end
 else
 r_CNT_50HZ <= r_CNT_50HZ + 1;
 end
 always @ (posedge i_clock)
 begin
 if (r_CNT_10HZ == c_CNT_10HZ-1) // -1, since counter starts at 0
 begin 
 r_TOGGLE_10HZ <= !r_TOGGLE_10HZ;
 r_CNT_10HZ <= 0;
 end
 else
 r_CNT_10HZ <= r_CNT_10HZ + 1;
 end
 
 always @ (posedge i_clock)
 begin
 if (r_CNT_1HZ == c_CNT_1HZ-1) // -1, since counter starts at 0
 begin 
 r_TOGGLE_1HZ <= !r_TOGGLE_1HZ;
 r_CNT_1HZ <= 0;
 end
 else
 r_CNT_1HZ <= r_CNT_1HZ + 1;
 end
 // Create a multiplexer based on switch inputs
 always @ (*)
 begin
 case () // Concatenation Operator 
 2'b11 : r_LED_SELECT <= r_TOGGLE_1HZ;
 2'b10 : r_LED_SELECT <= r_TOGGLE_10HZ;
 2'b01 : r_LED_SELECT <= r_TOGGLE_50HZ;
 2'b00 : r_LED_SELECT <= r_TOGGLE_100HZ;
 endcase 
 end
 assign o_led_drive = r_LED_SELECT & i_enable;
 // Alternative way to design multiplexer (same as above):
 // More compact, but harder to read, especially to those new to Verilog
 // assign w_LED_SELECT = i_switch_1 ? (i_switch_2 ? r_TOGGLE_1HZ : r_TOGGLE_10HZ) : 
 //(i_switch_2 ? r_TOGGLE_50HZ : r_TOGGLE_100HZ);
 // assign o_led_drive = w_LED_SELECT & i_enable;
 

end 

endmodule

次のステップ:このデザインを VHDL または Verilog でシミュレーションして、展開前に正しい動作を確認します。

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