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使用system verilog进行流水灯和VGA打印字符

news 来源：原创 2024/9/29 7:22:27

使用system verilog进行流水灯和VGA打印字符

system verilog的优点

面向对象编程：SystemVerilog 引入了面向对象的编程特性，如类（class）和继承，这有助于创建可重用的代码和设计模式。

增强的验证能力：SystemVerilog 支持断言（assertions）和覆盖率（coverage）分析，这些是验证复杂设计的关键工具。

并发建模：SystemVerilog 允许更自然地建模并发事件，通过使用 fork-join 语句来创建并行线程。

更丰富的数据类型：SystemVerilog 增加了多种数据类型，例如枚举（enum）、结构体（struct）、联合体（union）和数组，这些使得数据建模更加灵活和强大。

参数化编程：通过宏和参数化编程，SystemVerilog 允许更灵活的设计，可以更容易地创建可配置和可重用的设计组件。

改善的模块间连接：SystemVerilog 引入了接口（interface）的概念，简化了模块间的连接，并使得设计更加模块化。

更高级的建模能力：SystemVerilog 支持更高层次的抽象建模，有助于设计者在系统级别进行设计和验证。

随机化测试：SystemVerilog 支持随机化测试，可以自动生成测试向量，这有助于更全面地验证设计。

更有效的代码复用：通过封装和模块化，SystemVerilog 促进了代码的复用，提高了设计效率。

标准和兼容性：SystemVerilog 作为 IEEE 标准的一部分，确保了设计和验证方法的兼容性和标准化。

VGA程序编写

VGA 控制器模块

首先是 VGA 控制器模块，负责生成 VGA 信号和像素坐标。

module VGAController (input logic clk,      // 时钟input logic reset,    // 复位output logic hsync,   // 水平同步信号output logic vsync,   // 垂直同步信号output logic [9:0] pixelX,  // 像素 X 坐标output logic [9:0] pixelY,  // 像素 Y 坐标output logic displayOn       // 是否显示像素
);// VGA 时序参数parameter H_VISIBLE_AREA = 640;parameter H_FRONT_PORCH = 16;parameter H_SYNC_PULSE = 96;parameter H_BACK_PORCH = 48;parameter H_TOTAL = H_VISIBLE_AREA + H_FRONT_PORCH + H_SYNC_PULSE + H_BACK_PORCH;parameter V_VISIBLE_AREA = 480;parameter V_FRONT_PORCH = 10;parameter V_SYNC_PULSE = 2;parameter V_BACK_PORCH = 33;parameter V_TOTAL = V_VISIBLE_AREA + V_FRONT_PORCH + V_SYNC_PULSE + V_BACK_PORCH;// 水平和垂直计数器logic [9:0] hCounter;logic [9:0] vCounter;// 水平计数器更新always_ff @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) beginhCounter <= 0;vCounter <= 0;end else beginif (hCounter == H_TOTAL - 1) beginhCounter <= 0;if (vCounter == V_TOTAL - 1) beginvCounter <= 0;end else beginvCounter <= vCounter + 1;endend else beginhCounter <= hCounter + 1;endendend// 生成同步信号assign hsync = !(hCounter >= H_VISIBLE_AREA + H_FRONT_PORCH && hCounter < H_VISIBLE_AREA + H_FRONT_PORCH + H_SYNC_PULSE);assign vsync = !(vCounter >= V_VISIBLE_AREA + V_FRONT_PORCH && vCounter < V_VISIBLE_AREA + V_FRONT_PORCH + V_SYNC_PULSE);// 输出像素坐标和显示信号assign pixelX = hCounter;assign pixelY = vCounter;assign displayOn = (hCounter < H_VISIBLE_AREA) && (vCounter < V_VISIBLE_AREA);
endmodule

字符生成模块

接下来是字符生成模块，根据像素坐标生成 “你好FPGA” 字符。

module CharGen (input logic clk,          // 时钟input logic reset,        // 复位input logic [9:0] pixelX, // 像素 X 坐标input logic [9:0] pixelY, // 像素 Y 坐标input logic displayOn,    // 是否显示像素output logic [3:0] red,   // 红色分量output logic [3:0] green, // 绿色分量output logic [3:0] blue   // 蓝色分量
);// 字符映射表，可以通过像素坐标获取相应的像素值reg [63:0] charMap [0:6] = '{64'h7C121212127C00, 64'h42427E424200, 64'h7E0909090000, 64'h7E0909090600, 64'h3E414949493200, 64'h7E09097E0000, 64'h00000000000000};// 计算字符索引和像素在字符中的位置reg [3:0] charIndex;reg [2:0] charRow, charCol;reg [2:0] pixelXInChar, pixelYInChar;reg charPixel;always_ff @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) begincharIndex <= 0;charRow <= 0;charCol <= 0;pixelXInChar <= 0;pixelYInChar <= 0;charPixel <= 0;end else begin// 计算当前字符索引charCol <= pixelX / 8;charRow <= pixelY / 12;charIndex <= charCol + (charRow * 8);// 计算像素在字符中的位置pixelXInChar <= pixelX % 8;pixelYInChar <= pixelY % 12;// 获取当前像素值charPixel <= (charMap[charIndex])[63 - (pixelYInChar * 8 + pixelXInChar)];endend// 生成 RGB 信号always_comb begincase (charPixel)1'b0: beginred = 4'h0;green = 4'h0;blue = 4'h0;end1'b1: beginred = 4'hF;green = 4'hF;blue = 4'hF;enddefault: beginred = 4'h0;green = 4'h0;blue = 4'h0;endendcaseend
endmodule

顶层模块

以下是顶层模块，将 VGA 控制器和字符生成模块结合在一起，并输出到开发板上。

module Top (input logic clk,   // 时钟input logic reset, // 复位output logic [3:0] red,     // 红色信号output logic [3:0] green,   // 绿色信号output logic [3:0] blue,    // 蓝色信号output logic hsync,         // 水平同步信号output logic vsync          // 垂直同步信号
);// 实例化 VGA 控制器和字符生成模块VGAController vgaController (.clk(clk),.reset(reset),.hsync(hsync),.vsync(vsync),.pixelX(pixelX),.pixelY(pixelY),.displayOn(displayOn));CharGen charGen (.clk(clk),.reset(reset),.pixelX(pixelX),.pixelY(pixelY),.displayOn(displayOn),.red(red),.green(green),.blue(blue));endmodule

测试基准程序

最后是测试基准程序，用于测试顶层模块的功能。

module Top_tb;// 时钟和复位信号logic clk;logic reset;// VGA 控制器和字符生成模块的信号logic hsync;logic vsync;logic [9:0] pixelX;logic [9:0] pixelY;logic displayOn;logic [3:0] red;logic [3:0] green;logic [3:0] blue;// 实例化被测试的模块Top dut (.clk(clk),.reset(reset),.hsync(hsync),.vsync(vsync),.red(red),.green(green),.blue(blue));// 时钟生成always #5 clk = ~clk;// 复位信号生成initial beginreset = 1;#10;reset = 0;#10000;$finish;end// 输出测试结果always @(posedge clk) begin$display("hsync: %b, vsync: %b, red: %h, green: %h, blue: %h", hsync, vsync, red, green, blue);endendmodule

效果

在这里插入图片描述

流水灯程序设计

流水灯模块

module LED(input clk,input rst_n,  // _n低电平有效output logic [3:0] led
);// 1.5s计数器
logic [27:0] cnt;
parameter int TIME_1_5S = 75_000_000;
// 由于cnt已经声明为logic类型，不需要额外的信号声明logic add_cnt;logic end_cnt;// 赋值语句不需要阻塞赋值的begin-end结构
always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begincnt <= 28'd0;end else if (add_cnt) beginif (end_cnt) begincnt <= 28'd0;end else begincnt <= cnt + 1;endend
end// 使用always_comb声明组合逻辑
always_comb beginadd_cnt = 1'b1;end_cnt = add_cnt && cnt == (TIME_1_5S - 1);
end// 拼接法控制LED
always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginled <= 4'b1110;end else if (end_cnt) beginled <= {led[2:0], led[3]}; // 流水灯end
endendmodule

顶层模块设计

`timescale 1ns/1ns
module     LED_tb();reg   tb_clk;
reg   tb_rst_n;
wire  [3:0]tb_led;LED #(.TIME_1_5S(750))           inst_LED(.clk      (tb_clk     ) ,.rst_n    (tb_rst_n   ) ,.led      (tb_led )   
);parameter cycle =20 ;//时钟周期为20nsalways#(cycle/2)tb_clk=~tb_clk;//过时钟周期一半取反initial begintb_clk=1'b0;tb_rst_n=1'b0;#(cycle*3);tb_rst_n=1'b1;#(cycle*751*16);$stop;endendmodule