嵌入式开发之路

✨ 流水灯实验：FPGA 世界的 Hello World

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description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。
tags移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

13分钟阅读

这一篇在干嘛？

每个编程语言都有 Hello World，FPGA 世界的 Hello World 就是点灯，而流水灯是点灯的进阶版。本实验用开发板外接的流水灯扩展板，实现一个双向流动的流水灯：从右往左流到头，再从左往右流回来，如此往复。代码只有二十几行，却浓缩了分频、移位、方向翻转三个最常用的套路。

实验目的

使用 H4S20 开发板上接流水灯和交通灯扩展板，实现一个双向流水灯：从右往左流动，到最左边时再从左边往右流动，然后又从右边开始流动，如此不断反复。

实验原理：点亮一颗 LED 需要什么电平

根据开发板的原理图，可得到以下资料：

根据硬件原理图所示，12 颗发光二极管的阳极全部接通 3.3V 正电压（高电平），所以要让发光二极管导通，需要在阴极接低电平——也就是说 FPGA 引脚输出 0 才能点亮 LED，输出 1 是熄灭。这种接法叫低电平有效（低点亮）。

led 信号里 0 才是亮

看代码时千万不要把「某一位为 1」理解成「对应的灯亮」。在本实验的硬件接法下，led[x] = 0 才点亮第 x 颗灯。复位初值 12'b111111111110 里唯一的 0 在最低位，对应最先亮起的 D1。

有了「点亮」这个基本动作，流水灯的流动就变成两件事：

  1. 走一步：让唯一的 0 在 12 位中向左或向右移动一位——用循环移位实现；
  2. 走多快、往哪走：用分频计数器控制「多久走一步」，用一个方向标志 flag 控制「往哪走」。

两个关键寄存器

  • cnt[25:0]：对 50MHz 系统时钟计数，从 0 数到 max（9_999_999）后归零，正好约 0.2 秒，作为流水灯的「步进节拍」。这就是最简单的分频思想：计数器数满一圈产生一个节拍。
  • flag：方向标志。当 0 移到最高位（12'b011111111111，即第 11 位亮）时置 1，改向右移；当 0 移到最低位（12'b111111111110，即第 0 位亮）时清 0，改向左移。

循环移位是本实验的点睛之笔：{led[10:0], led[11]} 把最高位绕回最低位实现整体左移一位；{led[0], led[11:1]} 把最低位绕回最高位实现整体右移一位。因为 12 位里只有一个 0，移位后看起来就是「灯在流动」。

实验程序

module liushui_flag(
input sclk
input rst_n
output reg [11:0] led
);
reg [25:0] cnt
parameter max = 9_999_999 ; always@(posedge sclk or negedge rst_n) if(!rst_n)
    cnt <= 0 ;
else if(cnt==max)
    cnt <= 0 ;
else
    cnt <= cnt+1'b1 ;
reg flag ;
always@(posedge sclk or negedge rst_n) if(!rst_n)
    flag <= 0 ;
else if(led==12'b011111111111)
    flag <= 1 ;
else if(led==12'b111111111110)
    flag <= 0 ;
always@(posedge sclk or negedge rst_n) if(!rst_n)
    led <= 12'b111111111110 ;
else if(cnt==max&&flag==0)
    led <= {led[10:0],led[11]} ;
else if(cnt==max&&flag==1)
    led <= {led[0],led[11:1]} ;
endmodule

拼接运算符：循环移位的关键

循环移位是本实验最值得吃透的语法点。Verilog 的花括号 {} 是拼接运算符，它把若干段位拼成一个新的位向量：

  • led <= {led[10:0], led[11]}：取 led 的低 11 位（bit10~bit0），再把原来的最高位 bit11 拼到最低——整体效果是「所有位向左挪一格，最左边的位绕回最右边」，即循环左移一位；
  • led <= {led[0], led[11:1]}：取原来的最低位 bit0 拼到最高，其余位右移一格，即循环右移一位。

为什么不用左移运算符 << 或 <<=？因为普通移位会把移出去的位丢弃、空出的位补 0，移 12 次后 led 就变成全 0、灯全灭了；循环移位则让那个唯一的 0 永远在 12 位里「绕圈」，这正是流水灯「走到头又回来」的物理实现。方向切换时两种移位无缝衔接，因为那个 0 总是先流到边界、flag 才翻转。

节拍是怎么算出来的

系统时钟 sclk 为 50MHz，周期 20ns。cnt 从 0 数到 9_999_999 共 10_000_000 拍，一次计数循环耗时 10_000_000 × 20ns = 0.2s。也就是说流水灯每 0.2 秒走一步，从 D1 流到 D12 需要 12 × 0.2 = 2.4 秒，一个完整的「去 + 回」周期约 4.8 秒——这正是人眼看起来「流动感」合适的速度。如果想调节速度，只需要改 max 参数：max 越大走得越慢，max 越小走得越快。

三个 always 块各管一件事

第一块管「节拍」：cnt 数满一圈清零；第二块管「方向」：灯走到两端时翻转 flag；第三块管「走步」：节拍到来时按 flag 决定左移还是右移。这种「每个 always 只做一件事」的写法是时序逻辑设计的良好习惯，比把所有逻辑塞进一个大 always 里清晰得多。复位采用低有效的异步复位 negedge rst_n，复位时从最低位灯开始流。

实验仿真

根据描述语言进行仿真测试，分析波形。仿真时可以把 max 参数改小（比如改成 9），缩短 cnt 计数周期，这样不用等 0.2 秒就能在波形里看到 led 循环移位与 flag 翻转的完整过程。

观察波形时建议盯住三个信号：

  1. cnt：锯齿波，从 0 爬升到 max 后瞬间归零，每个「锯齿」就是流水灯的一步；
  2. led：每次 cnt 归零的同一拍变化一次，看那个 0 是在左移还是右移；
  3. flag：只在 led 等于 12'b011111111111 或 12'b111111111110 的瞬间翻转，其余时间保持。

三个信号的时间关系对上了，说明节拍、走步、换向三个环节都正确，可以放心上板。

上板流程

  1. 确认流水灯扩展板已接插在开发板 J1 口上；
  2. 在 TD 工程中完成综合、布局布线，生成下载文件；
  3. 通过 USB 下载线把码流写入 FPGA；
  4. 下载完成后无需额外操作，流水灯即刻开始流动。

本实验没有单独的引脚约束段

原文未给出 set_pin_assignment 引脚约束清单，因为 12 颗流水灯全部位于 J1 扩展口上，引脚分配随扩展板硬件固定。实际工程中请按开发板《用户手册》中 J1 扩展口的 LED 对应引脚添加约束，或直接复用工程模板中已有的约束文件。

代码里省略了分号与逗号

原文给出的模块端口声明（input sclk、input rst_n 之间）缺少逗号，reg [25:0] cnt 行尾缺少分号，这是教材排版省略所致。实际输入工程时必须补全：端口间用逗号分隔、每条声明以分号结尾，否则综合无法通过。

思路延伸：改出你自己的流水灯

理解模板之后，这个实验是最好的练手场，几个由易到难的改造方向：

  • 改变速度：修改 max 参数。想做成「可调速度」，可以再加一个按键控制 max 在几档之间切换；
  • 改变花样：把「单 0 绕圈」改成两个 0 相向而行（复位初值给两位 0），只需要改初值并小心处理两个 0 相遇时的移位逻辑；
  • 来回不同速：给 flag 的两个状态分别用不同的计数终值 max_l / max_r，去程慢、回程快；
  • 呼吸流水：结合呼吸灯实验的 PWM 思路，让「当前亮的那颗」亮度渐变——这需要引入脉宽调制，是不错的进阶挑战。

每一个改造都只动这一二十行代码里的某一块，不会牵一发动全身——这正是「节拍 + 数据 + 标志」三段式结构的可维护性优势。

下载测试

将流水灯模块接插在开发板 J1 口上。下载程序之后，可以看到流水灯从 D1 滚动到 D12，然后从 D12 滚动到 D1，循环上述步骤。

现象与总结

双向流水灯看似简单，却把三个最基础的 FPGA 套路串在了一起：计数分频（把 50MHz 时钟降到人眼可见的节拍）、循环移位（用拼接运算符让一个 0 在 12 位中绕圈）、边界检测翻转方向（到达两端时改变 flag）。整个设计没有用到任何高级语法，三个 always 块各司其职，是「小模块解决大问题」的典范。

后面的交通灯实验会把这个「计数 + 状态切换」的结构进一步升级成真正的状态机。掌握了本实验，你就拥有了写绝大多数「节拍驱动型」小逻辑的模板——呼吸灯是把节拍加到 PWM 占空比上，数码管动态扫描是把节拍加到位选切换上，蜂鸣器演奏是把节拍加到音符切换上，套路完全同源。

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