这套资料在干嘛？
这是「移远 FPGA 大赛」HX4S20C 开发板随板附带的官方 DEMO 实验教程——最开始的官方入门教程，共 36 个实验。从安路 TD 软件怎么用、点个灯、数码管，一路做到 VGA、HDMI、千兆网、北斗 GPS。每篇都从电路原理讲到代码实现和上板现象，零基础也能跟着做完。做竞赛题之前，先把这 36 个实验过一遍。
这块板子与这套资料
HX4S20C 是大赛指定的 FPGA 开发板，主芯片为安路 EG4S20BG256，属于紫光同创之外国产 FPGA 中很典型的入门型号：约 2 万逻辑单元，板载 50MHz 有源晶振、LED、按键、开关、多位数码管，还预留了 VGA、HDMI、千兆网口、SD 卡座、音频接口和 AD/DA 子卡位置。官方把每个外设都写成一个 DEMO 实验，配好了工程、Verilog 源码和引脚约束，就是让你照着跑通、再改出自己的想法。
这套 PDF 原文由大赛官方随板发放，讲解偏简略，经常直接甩一段代码和一个约束表。所以本站的每一篇都做了二次精讲：先讲清楚电路原理（为什么这么接、信号长什么样），再逐段拆代码（每个 always 块在干嘛），最后才是上板流程和现象。原文的代码、引脚约束、参数全部原样保留，原文里 OCR 或笔误导致的问题也会明确标注出来，不会悄悄替你改掉。
怎么用这套教程
- 先过 demo-00（安路 TD 软件使用流程）：学会新建工程、添加 Verilog 文件、综合、分配引脚、生成码流、用 TD 烧录工具下载到板子这一整套操作。后面所有实验都重复这套流程，只是文件和引脚不同。
- 按编号顺序做实验：01～11 是基础（点亮、输入、数码管、计数器、锁相环、消抖），每篇工作量在半小时到两小时之间；12 以后进入接口和综合系统，可以按兴趣跳着做，但建议每个都亲手敲一遍代码，不要只复制粘贴。
- 每篇做完做自测：每篇文章结尾都有折叠的自测题，能独立答上来才算过关。答不上来就回到对应小节再看一遍原理部分。
学习路线建议
如果时间紧，按这六组来划分优先级：点亮与输入（呼吸灯、流水灯、按键、开关）让你建立「写代码=控制硬件」的手感；显示输出（数码管三篇、点阵、LCD 两篇、彩屏、VGA、HDMI）是竞赛展示的门面，时序概念会在这里反复出现；时序与逻辑（计数器、多路选择器、乘法器、消抖、交通灯状态机、锁相环）是笔试和面试的高频考点；通信与接口（串口、PS/2、SD 卡、千兆网、北斗 GPS）做综合题时的数据来源；信号与模拟（AD/DA 三篇、乐曲演奏、电子琴、卡拉OK）是拉开差距的加分项；最后的综合系统（直流电机测控、VGA 五子棋、打字游戏）建议组队完成，当作赛前大练兵。
做实验前需要准备什么
硬件：HX4S20C 开发板、USB 下载线（同时也是串口线，串口实验直接用它）、5V 电源；做 AD/DA、VGA、HDMI 相关实验还要插上对应的子卡或连接线。软件：安路 TD 集成开发环境（版本要和大赛通知一致，demo-00 里有安装步骤）、串口助手（XCOM 或 Putty 均可）、代码编辑器（VS Code 加 Verilog 插件体验最好）。知识：至少把 Verilog 的 module、always、assign、阻塞与非阻塞赋值这几样弄明白，不需要会写复杂状态机，教程会带着你一步步建立。 三个新手最常见的坑提前说：第一，引脚约束一定要用官方给的那份，自己乱填轻则不亮、重则短路发热，发现板子芯片烫手立刻断电检查约束；第二，代码写完要先综合看报告再上板，综合报的 warning 不全是无害的，latch 和位宽截断的 warning 要逐个看懂；第三，烧录成功但现象不对时，先按复位键、再查时钟和复位极性（这块板复位是低有效），九成问题出在这两处。
现象和教程不一样怎么办
先别急着怀疑板子。绝大多数「现象不对」都是三类问题：时钟没进来（晶振到 GCLK 管脚的约束没生效）、复位极性写反（这块板按下按键是低电平，代码里如果是高有效就一直停在复位）、引脚约束和实际硬件对不上（尤其注意不同实验里同名信号的引脚可能不同，比如按键和 LED 在几个实验里有两套分配，官方引脚分配表里都标了红色冲突说明）。排查顺序建议是：先看综合报告里 pin 分配是否和约束文件一致，再用 SignalTap 之类在线逻辑分析仪抓内部信号，最后才考虑硬件问题。每个实验的讲解篇里也写了该实验特有的排错点，遇到问题先翻对应章节的 [!warning] 提示。
📚 目录
| 篇目 | 一句话介绍 |
|---|---|
| 🧭 安路 TD 软件使用流程：从新建工程到烧录码流 | 以 1 秒闪烁灯为例，完整走通安路 TD 新建工程、写代码、锁引脚、下载固化的全流程，并附带 ModelSim 仿真入门。 |
| 💡 呼吸灯实验：让 LED 亮灭之间有渐变 | 用 PWM 思路在 FPGA 上实现呼吸灯：1KHz 周期计数器加占空比递增递减，让 LED 由灭渐亮再由亮渐灭。 |
| 🔘 按键控制 LED 灯实验：FPGA 的第一个输入 | 用四个按键切换四种 LED 显示模式——左右流水灯、闪烁与常亮，学习 FPGA 按键输入与状态切换的基本写法。 |
| 🔢 七段译码器设计：让数码管显示数字 | 用 case 语句实现共阳七段数码管的十六进制译码器，从真值表到 Verilog 到上板，完整走通组合逻辑设计流程。 |
| 🖥️ 静态数码管显示设计 | 用顶层加两个子模块的分层设计，实现 6 位数码管从 0 到 F 每 0.5 秒递增的十六进制循环显示。 |
| 🔄 8 位动态扫描设计：一眼看成一个数字的把戏 | 用高速轮流点亮 8 位数码管的动态扫描技术，让每位显示不同数字，理解视觉暂留与扫描频率的设计要点。 |
| 🧮 十进制计数器：按键一下，数字加一 | 用 4 位二进制计数器实现 0~9 循环计数，经七段译码后在数码管显示，带复位、加载与使能三个按键控制。 |
| ⏫ 八位十进制计数器：从一位到八位的进阶 | 在十进制计数器基础上级联扩展到多位，配合动态扫描译码模块，在数码管上实现多位十进制累加显示。 |
| 🎛️ 按键及开关测试：把开发板的输入摸个遍 | 通过把按键与拨码开关状态直接点亮 LED 的实验，弄清开发板输入信号的电平特性与两级寄存器打拍。 |
| 🚏 多路选择器：数字电路里的铁路道岔 | 用四选一多路选择器在不同频率的蜂鸣器信号间切换选通，顺带认识有源与无源蜂鸣器的驱动差别。 |
| 📡 锁相环测试：用 PLL 给系统变出高频率时钟 | 通过 TD 的 IP Generator 配置 PLL，从 50MHz 输入时钟生成 6.25M、25M、70M 三路时钟，并用示波器验证输出。 |
| ✋ 消抖动电路设计：按键抖动的治法 | 用两个独立计数器同时统计按键高、低电平脉宽，超过阈值才翻转输出，实现稳健的按键消抖。 |
| ✖️ 四位乘法器设计：移位相加的 Art | 用移位相加原理在 FPGA 上实现四位乘法器，按键输入乘数，数码管实时显示乘积结果 |
| 🎵 硬件乐曲演奏器：让 FPGA 唱歌给你听 | 用锁相环、乐谱 ROM 与数控分频器在 FPGA 上自动播放《梁祝》，数码管同步显示简谱码 |
| 🎹 PS/2 键盘控制电子琴设计 | 解析 PS/2 键盘协议时序与通码，用 FPGA 把标准键盘变成一台可弹奏的电子琴 |
| 📺 VGA 图形显示：一行一行画出来的画面 | 解析 VGA 行场扫描时序与 640×480@60Hz 标准，用 FPGA 生成同步信号显示彩色棋盘格 |
| 🔌 串口通信设计：FPGA 与 PC 的第一条数据通道 | 理解 UART 帧格式与波特率，用 FPGA 实现串口数据环回，打通与上位机的通信链路 |
| 🔄 直流电机综合测控：PWM 调速与测速闭环 | 用 FPGA 数字比较器生成 PWM 对直流电机调速转向，红外测速实现转速闭环测量 |
| 💾 SD 卡读写实验：FPGA 的小硬盘 | 用 SPI 模式读写 SD 卡扇区，从命令协议到初始化状态机的完整入门。 |
| 🕹️ PS/2 + VGA 打字游戏：输入输出综合实战 | PS/2 键盘输入与 VGA 显示联动，用状态机实现弹球式打字小游戏。 |
| 🎤 卡拉OK机设计：混响是怎么做出来的 | 用 WM8731 音频编解码芯片混合麦克风与线路输入，I2C 配置出卡拉OK机。 |
| ✨ 流水灯实验：FPGA 世界的 Hello World | 用循环移位寄存器实现双向流水灯，理解分频计数与方向标志的经典套路。 |
| 🚦 交通灯实验：状态机第一次上路 | 红黄绿灯按 25 秒周期轮转，用四状态有限状态机实现十字路口交通灯。 |
| ⌨️ 4×4 矩阵键盘扫描：16 个键只占 8 根线 | 行列反转扫描原理详解，用 8 根线识别 16 个键并在数码管显示键值。 |
| ⚫ 基于 VGA 显示的五子棋：在 FPGA 上下一盘棋 | 用 PS2 键盘控制光标、VGA 显示器显示 10×10 棋盘，在 FPGA 上实现双人五子棋对战。 |
| 🔲 16×16 点阵显示实验：用 LED 拼出汉字 | 讲解 LED 点阵行列扫描与数控分频移屏原理，在 FPGA 上驱动 16×16 点阵循环显示汉字。 |
| 📟 LCD2004 字符液晶显示实验 | 讲解 LCD2004 字符液晶的内部结构与 11 条控制指令，用 HDL 驱动液晶显示欢迎信息。 |
| 〰️ DA902 显示正弦波：数字量变成模拟波形 | 在 FPGA 内定制正弦波 ROM 数据，经锁相环分频读取，由 12 位 DA902 转成模拟正弦信号用示波器观察。 |
| ⚡ 12 位高速 AD807-DA902 数据直通实验 | 用 12 位 ADS807 采样外部模拟信号，数据直通 12 位 DA902 还原输出，示波器对比观察。 |
| 🌊 双通道 10 位 DA9763 波形发生器 | 用双通道 10 位 DA9763 芯片，FPGA 输出两路数据生成锯齿波等模拟波形，示波器观察验证。 |
| 📱 2.8 寸液晶彩屏实验：点亮一块彩色 TFT | 用 HX4S20 开发板驱动 2.8 寸 TFT 彩屏，以 16 位并口方式在屏幕上显示彩条，理解彩色液晶屏的控制时序。 |
| 🖼️ HDMI 显示彩条实验：数字视频接口初体验 | 了解 HDMI 与 TMDS 传输原理，用安路 EG4 内嵌的 TMDS 硬核在 HX4S20 开发板上输出 720P 彩条到显示器。 |
| 🌐 千兆网络传输图片：FPGA 上的以太网 | 基于安路三速以太网 IP 与 UDP 协议，用 PC 通过千兆网口向 FPGA 发送图像数据并在 VGA 上显示出来。 |
| 🛰️ 北斗 GPS 实验：接收卫星定位数据 | 用 ATK-MO1218 北斗 GPS 模块通过 UART 向 FPGA 发送 NMEA 报文，解析 GGA 语句并把经纬度、时间显示在 VGA 上。 |
| 🀄 LCD12864 液晶显示汉字与自定义字符（并口） | 以 ST7920 控制器的 LCD12864 为对象，用 8 位并口时序显示汉字、西文字符，并自定义 CGRAM 图标。 |
| 🔁 基于 FPGA 的 HDMI 输入输出直通 | PC 的 HDMI 画面从开发板 HDMIA 进、HDMIB 出，理解 HDMI 输入解码与输出环出的完整链路与调试方法。 |
通关标准：
- 能独立用 TD 软件完成「新建工程 → 写 Verilog → 综合 → 分配引脚 → 上板」全流程
- 能说清每个实验背后的电路原理（呼吸灯的 PWM、数码管的扫描、VGA 的时序、UART 的帧格式……）
- 遇到新外设时，会看引脚约束表、会查时序、会把官方例程改成自己的设计