实验 02：LED 流水灯

🛒 开发板购买: EK303 GW1N FPGA核心板

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一、实验目的

1. 学习移位寄存器在 FPGA 中的实现方式，理解寄存器级联传递。
2. 掌握使能脉冲的设计方法——不是每个时钟周期都移位，而是每隔一定时间才移位一次。
3. 理解 localparam 参数化常量的用法，方便修改流水速度。
4. 巩固 .cst 约束文件的多引脚编写。

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二、实验过程

2.1 硬件连接

同实验 01，使用 Pin 8 / 9 / 10 三个 LED。

2.2 设计思路

核心问题：如何让三个 LED 依次逐个点亮，形成"灯光追逐"效果？

解决思路——移位寄存器 + 定时使能：

50MHz 时钟
 ↓
计数器产生移位使能脉冲 (每 0.3 秒产生一个周期宽度的脉冲)
 ↓
移位使能脉冲到来时，将 LED 寄存器循环左移一位
 ↓
三个 LED 呈现出依次点亮的流水效果

移位逻辑：led <= {led[1:0], led[2]} — 低两位左移，高位补到最低位（循环左移）。

初始值：3'b100 — 最左侧 LED 先亮。

2.3 Verilog 模块设计

模块名：led_shift

端口列表：

端口	方向	位宽	说明
clk_50m	input	1	50MHz 系统时钟
led	output	3	三位 LED 输出

内部信号：

信号	位宽	说明
led_reg	3	LED 状态寄存器，初始值 3'b100
shift_en	1	移位使能脉冲，每 0.3s 产生一个周期的高脉冲
cnt	24	分频计数器，计到 15,000,000 - 1 (= 0.3s)

逻辑描述：

1. 计数器 cnt 循环 0 → 14,999,999 → 0，计满时产生 shift_en = 1（仅维持一个周期）。
2. 当 shift_en == 1 时，led_reg <= {led_reg[1:0], led_reg[2]}（循环左移）。
3. led 直接由 led_reg 驱动。

2.4 引脚约束

信号	约束
led[0]	IO_LOC ... 8; IO_TYPE=LVCMOS33
led[1]	IO_LOC ... 9; IO_TYPE=LVCMOS33
led[2]	IO_LOC ... 10; IO_TYPE=LVCMOS33

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三、实验现象

帧	LED1 (led[2])	LED2 (led[1])	LED3 (led[0])	持续时间
1	●	○	○	0.3s
2	○	●	○	0.3s
3	○	○	●	0.3s
4	●	○	○	0.3s（循环）

三个 LED 如流水般从左向右循环点亮。修改移位方向可实现右移效果 {led[0], led[2:1]}。

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四、掌握知识点

知识点	说明
移位寄存器 {a, b}	位拼接实现循环移位
localparam	参数化计数值，方便修改速度
使能脉冲	单周期高脉冲精准控制移位时机
reg 初始值	reg [2:0] led_reg = 3'b100 设定初始状态
多 bit 端口 [2:0]	三位宽输出端口的声明与约束

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五、思考题

1. 如何修改代码实现从右向左的流水方向？
2. 如果改成 5 个 LED 的流水灯，哪些参数需要修改？
3. 为什么不用 led <= led << 1 这种写法？
4. 移位使能脉冲如果宽度超过一个周期会发生什么？

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附录：源码清单

top.v

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// top.v - LED流水灯 (LED Shift)
// 芯片: GW1N-LV9LQ144C6/I5
// 时钟: 50MHz (Pin 98)
// LED1: Pin 8, LED2: Pin 9, LED3: Pin 10
// 功能: 3个LED循环移位，每0.3秒移动一位，形成"流水追逐"效果
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module led_shift (
    input  wire       clk_50m,   // 50MHz 系统时钟
    output reg  [2:0] led        // 3位LED输出 (led[2]=LED1, led[1]=LED2, led[0]=LED3)
);

    // =========================================================================
    // 参数定义
    // 0.3秒 = 50,000,000 × 0.3 = 15,000,000 个时钟周期
    // 计数值 = 15,000,000 - 1 = 14,999,999
    // 24位计数器: 2^24 = 16,777,216 > 15,000,000
    // =========================================================================
    localparam SHIFT_MAX = 24'd14_999_999;

    // =========================================================================
    // 内部信号
    // =========================================================================
    reg  [23:0] cnt;          // 分频计数器 (0 ~ 14,999,999)
    wire        shift_en;     // 移位使能脉冲 (单周期高电平)

    // =========================================================================
    // 移位使能信号: 组合逻辑，当计数器计满时产生一个周期的高脉冲
    // =========================================================================
    assign shift_en = (cnt == SHIFT_MAX);

    // =========================================================================
    // 分频计数器: 0 → 14,999,999 → 0 循环
    // 50MHz / 15,000,000 ≈ 3.33Hz, 即每0.3秒产生一次 shift_en
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (cnt == SHIFT_MAX)
            cnt <= 24'd0;
        else
            cnt <= cnt + 1'b1;
    end

    // =========================================================================
    // LED 移位寄存器 (初始值 3'b100, 即最左侧LED先亮)
    // 循环左移: {led[1:0], led[2]} 将高位移到最低位
    //
    // 状态变化:
    //   3'b100 → 3'b010 → 3'b001 → 3'b100 → ...
    //   LED1亮   LED2亮   LED3亮   LED1亮
    //
    // Gowin 综合器支持 reg 声明时的初始值设定
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (shift_en)
            led <= {led[1:0], led[2]};
    end

    // =========================================================================
    // 上电初始值 (Gowin 支持 initial 块用于设定寄存器上电值)
    // =========================================================================
    initial begin
        led = 3'b100;
    end

endmodule