1、初步認(rèn)識(shí)EDA技術(shù)Verilog HDL，熟悉可編輯邏輯器件基礎(chǔ)；
2、掌握Verilog HDL語(yǔ)法及要素，能夠熟練運(yùn)用行為語(yǔ)句，了解常用數(shù)據(jù)單元及設(shè)計(jì)風(fēng)格；
3、學(xué)習(xí)典型的FPGA的結(jié)構(gòu)與配置，引腳輸入輸出端口功能；
4、進(jìn)行狀態(tài)機(jī)的設(shè)置，更進(jìn)一步的深入熟悉一些基礎(chǔ)例程；
5、學(xué)會(huì)Quartus Ⅱ的應(yīng)用及一些仿真與測(cè)試。
三、實(shí)驗(yàn)題目
乒乓球游戲設(shè)計(jì)
比賽規(guī)則約定：七局四勝；11分一局；比賽進(jìn)行，18個(gè)LED排列成行模擬乒乓球臺(tái)；點(diǎn)亮的LED模擬乒乓球，受FPGA控制從左到右或從右到左移動(dòng)；比賽選手通過(guò)按鈕輸入模擬擊球信號(hào)，實(shí)現(xiàn)LED移位方向的控制；若發(fā)亮的LED運(yùn)動(dòng)在球臺(tái)倒數(shù)第四個(gè)至對(duì)方終點(diǎn)之間時(shí)，對(duì)方未能及時(shí)按下?lián)羟虬粹o使其向相反方向移動(dòng)，即失去一分。
四、實(shí)驗(yàn)要求
任務(wù)要求：用按鍵與LED（或者點(diǎn)陣）表示輸入與輸出。
（1）初始時(shí)，16個(gè)LED最邊上的點(diǎn)亮，按下鍵表示發(fā)球，亮的燈依次向?qū)Ψ揭苿?dòng)；移位計(jì)數(shù)器控制。
（2）當(dāng)?shù)竭_(dá)另一邊倒數(shù)第 4 個(gè)燈時(shí)表示乒乓球觸到桌面反彈；對(duì)方必須在反彈后且靠 近己方的最后一個(gè)燈亮起來(lái)前按下按鍵表示接球，否則輸球；
（3）接球后燈亮的規(guī)則、對(duì)方接球的規(guī)則同發(fā)球；
（4）雙方靠近自己的 4個(gè)燈亮的間隔 0.4s，其余燈亮的間隔 0.8s；計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí) 鐘控制；
（5）輸球或者犯規(guī)，即失去一分；自動(dòng)顯示于數(shù)碼管（共陰）；
（6）乒乓球比賽規(guī)則計(jì)分，顯示于數(shù)碼管；
這種比較簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)
五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
利用兩個(gè)按鍵表示兩位選手，LED燈表示乒乓球的軌跡，數(shù)碼管顯示擊球結(jié)果。分析乒乓球跳動(dòng)速度，乒乓球在接發(fā)球狀態(tài)時(shí)時(shí)速度可以達(dá)到0.4s，乒乓球在運(yùn)行中速度慢些，可以達(dá)到0.8s.
本程序由3個(gè)部分組成，第一部分為分頻程序，將de2自帶的50Mhz頻率分為1MHZ，1lKHZ,10hz.第二部分為數(shù)碼管分時(shí)掃描程序,掃描速度1khz.第三部分是擊球狀態(tài)機(jī)程序。
因手上無(wú)示波器，也無(wú)必要用示波器，故只用了軟件仿真。
六、源代碼及注釋
module pinpang(clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz,clk_27,clk_50,hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7,clc,set_r,set_l,led_r);
input clc,set_r,set_l; //定義清除鍵，在程序中按下不放為暫停
input clk_27,clk_50; //定義輸入時(shí)鐘信號(hào)，此程序中只用了clk_50，即50M的頻率
output clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;//定義分頻后信號(hào)1MHZ,1KHZ,10HZ
reg clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;
reg[5:0] clk_sum;//1MHZfenpin //定義分頻1MHZ計(jì)數(shù)器
reg[9:0] clk_sum1k;//fenpinwei 1khz //定義分頻1khz分頻器
reg[6:0] clk_sum10hz;//ledxianshipinlv //定義分頻10hz分頻器
reg[6:0] hex_buff1; //定義數(shù)碼管緩存寄存器
reg[3:0] hex_buff; //定義數(shù)碼管取值寄存器
reg[3:0] hex_sum; //數(shù)碼管掃描片選信號(hào)
reg[3:0] r_sum,l_sum; //定義每局中左邊或者右邊得分?jǐn)?shù)目默認(rèn)a_為左，b_為右
reg[3:0] ju_sum; //led燈延時(shí)計(jì)數(shù)器，每100ms計(jì)數(shù)一次
reg[2:0] a_run,b_run; //定義左邊和右邊當(dāng)前贏得的局?jǐn)?shù)
reg[2:0] state; //定義狀態(tài)機(jī)所處位置
reg[3:0] game_on; //定義按鍵處于何種狀態(tài)
reg[31:0] time_sum; //定義LED從次態(tài)到現(xiàn)態(tài)時(shí)間
reg[4:0] qiu; //定義當(dāng)前LED燈位置
output[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;//8段數(shù)碼管顯示數(shù)
reg[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;
output[17:0]led_r;
reg [17:0]led_r; //led燈狀態(tài)
parameter hexx0=7'b1000000, //0
hexx1=7'b1111001, //1
hexx2=7'b0100100, //2
hexx3=7'b0110000, //3
hexx4=7'b0011001, //4
hexx5=7'b0010010, //5
hexx6=7'b0000010, //6
hexx7=7'b1111000, //7
hexx8=7'b0000000, //8
hexx9=7'b0010000, //9
hexxn=7'b1111111; //null
always@(posedge clk_50)begin //fenpinwei1MHZ
clk_sum<=clk_sum+6'b000001; //分頻為1MHZ
if(!clc)
clk_sum<=0;
if(clk_sum==24)begin
clk_sum<=0;
clk_1MHZ<=~ clk_1MHZ;
end
end
always@(posedge clk_1MHZ)begin //FENPINWEI 1KHZ
clk_sum1k<=clk_sum1k+10'b0000000001; //分頻為1KHZ
if(!clc)
clk_sum1k<=0;
if(clk_sum1k==499)begin
clk_sum1k<=0;
clk_1khz<=~ clk_1khz;
end
end
always@(posedge clk_1khz)begin //FENPINWEI 10HZ//分頻為10hz
clk_sum10hz<=clk_sum10hz+7'b0000001;
if(!clc)
clk_sum10hz<=0;
if(clk_sum10hz==49)begin
clk_sum10hz<=0;
clk_10hz<=~ clk_10hz;
end
end
always@(posedge clk_1khz)begin //FENPINWEI 1kHZ//在1kHz內(nèi)處理數(shù)碼管和按鍵
hex_sum<=hex_sum+4'b0001;
if(!clc)
hex_sum<=0;
if(hex_sum==8)
hex_sum<=0;
case(hex_sum)
6:hex_buff<=a_run; //第二位 顯示左邊邊當(dāng)前贏得局?jǐn)?shù)，實(shí)際為0
//由于de2開(kāi)發(fā)板數(shù)碼管位置移位，故該程序中數(shù)碼管非實(shí)驗(yàn)板相應(yīng)位置，需要調(diào)整
7:hex_buff<=b_run; //第一位顯示右邊當(dāng)前贏得局?jǐn)?shù)
0:hex_buff<= a_run; //第三位顯示左邊贏得局?jǐn)?shù)
1:hex_buff<= ju_sum%10;//第四位顯示當(dāng)前局?jǐn)?shù)
2:hex_buff<= r_sum%10; //第五位顯示右邊當(dāng)前得分個(gè)位
3:hex_buff<= r_sum/10; //第六位顯示右邊當(dāng)前得分十位
4:hex_buff<= l_sum%10; //第七位顯示當(dāng)前左邊贏得得分個(gè)位
5:hex_buff<= l_sum/10; //第八位顯示當(dāng)前左邊贏得得分十位
default:hex_buff=4'b1111;
endcase
if(!set_l)
begin
if(state==5||state==0)
//左按鍵按下，判斷LED燈是否落在左邊，若果是繼續(xù)下去，否則記為錯(cuò)誤按左鍵
game_on<=4'b0110;
else
game_on<=4'b1110;
end
if(!set_r)
begin
if(state==2||state==3)
//右按鍵按下，判斷LED燈是否落在右邊，若果是繼續(xù)下去，否則記為錯(cuò)誤按右鍵
game_on<=4'b0101;
else
game_on<=4'b1101;
end
end
always@(negedge clk_1khz) begin
//在clk-1khz的下降沿中處理函數(shù)，將數(shù)碼管中緩存值翻譯過(guò)來(lái)，賦給數(shù)碼管
case(hex_buff)
0:hex_buff1<=hexx0;
1:hex_buff1<=hexx1;
2:hex_buff1<=hexx2;
3:hex_buff1<=hexx3;
4:hex_buff1<=hexx4;
5:hex_buff1<=hexx5;
6:hex_buff1<=hexx6;
7:hex_buff1<=hexx7;
8:hex_buff1<=hexx8;
9:hex_buff1<=hexx9;
default:hex_buff1<=hexx0;
endcase
case(hex_sum)
0: hex0<=hex_buff1;
1: hex1<=hex_buff1;
2: hex2<= hex_buff1;
3: hex3<= hex_buff1;
4: hex4<=hex_buff1;
5: hex5<= hex_buff1;
6: hex6<= hex_buff1;
7: hex7<= hex_buff1;
default:
begin
hex0<=hexxn;
hex1<=hexxn;
hex2<=hexxn;
hex3<=hexxn;
hex4<=hexxn;
hex5<=hexxn;
hex6<=hexxn;
hex7<=hexxn;
end
endcase
end
always@(posedge clk_10hz)begin //每100ms進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)置
time_sum<=time_sum+1;
led_r=0; //避免LED全亮，先將LED全滅
if(time_sum==8) //每個(gè)LED燈間隔發(fā)光的時(shí)間不超過(guò)0.8s
time_sum<=0;
case(state)
5: //狀態(tài)5左邊發(fā)球
if(game_on==4'b0110)//如果檢測(cè)到左鍵正確按下，執(zhí)行程序
begin
led_r[qiu]=1;
if(time_sum==3)begin //如果LED燈已走了0.4s，則點(diǎn)亮下個(gè)LED燈
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0; //先將現(xiàn)態(tài)LED燈光滅，在點(diǎn)亮下個(gè)LED燈
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu<=14)
//因?yàn)槎x了18個(gè)LED燈作為實(shí)驗(yàn)乒乓球臺(tái)，所以當(dāng)左邊已發(fā)完球后，應(yīng)立即進(jìn)入左邊運(yùn)球給右邊的狀態(tài)4
state<=4;
end
end
else
begin / /如果沒(méi)有檢測(cè)到左鍵正確按下，則LED【17】常亮
led_r[17]<=~led_r[17];
end
4: //左邊運(yùn)球到右邊的狀態(tài)
begin
led_r[qiu]=1; //若果球已到右邊接球邊界，進(jìn)入右邊接球狀態(tài)3
if(qiu<=3)
state<=3;
if(state==4)
begin
if(game_on==4'b1101)begin
l_sum<=l_sum+4'b0001;
state<=2; //若右鍵在運(yùn)球中錯(cuò)誤按下，算右邊犯規(guī)，左邊加一分
led_r[qiu]=0; //球歸右邊并自動(dòng)發(fā)球
qiu<=0;
led_r[qiu]=1; //顯示當(dāng)前LED燈位置
time_sum<=1;
end
if(time_sum==0)begin
//每隔0.8s判斷LED燈是否跳入下個(gè)狀態(tài)，若是則將當(dāng)前LED燈光滅，將下個(gè)LED燈點(diǎn)亮
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1; //運(yùn)球沒(méi)有失誤，進(jìn)入右邊接球狀態(tài)3
if(qiu<=3)
state<=3;
end
end
end
3:
begin
if(game_on==4'b0101) //右邊等待接球狀態(tài)
begin
state<=2;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00010; //若已接球，立即進(jìn)入狀態(tài)2或1
led_r[qiu]=1;
End
if(state==3)
begin
led_r[qiu]=1;
if(time_sum==3)begin //接球中LED燈閃動(dòng)速度為0.4s
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0; //關(guān)閉當(dāng)前LED燈，打開(kāi)下個(gè)LED燈
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu==0)begin
state<=2;
l_sum<=l_sum+4'b0001; //若接球失敗，進(jìn)入右邊準(zhǔn)備發(fā)球狀態(tài)，左邊得一分
end
end
end
end
2: //右邊發(fā)球狀態(tài)
if(game_on==4'b0101)
begin //若有有效鍵按下，則立即發(fā)球否則進(jìn)入等待狀態(tài)
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=3) //若超出界限，立即進(jìn)入狀態(tài)右邊運(yùn)球左邊的狀態(tài)1
state<=1;
if(state==2)begin
if(time_sum==3)begin
time_sum<=0; //每隔0.4s球向左邊移動(dòng)一位
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=3) //若球已超出右邊發(fā)球邊界，進(jìn)入右邊運(yùn)球到左邊的狀態(tài)1
state<=1;
end
end
end
else
begin
led_r[0]<=~led_r[0]; //若當(dāng)前沒(méi)有有效右鍵按下，一直處于等待階段。
end
1:
begin
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=14)
state<=0;
if(state==1)begin
if(game_on==4'b1110)begin
r_sum<=r_sum+4'b0001;
state<=5;
//運(yùn)球過(guò)程中，左邊錯(cuò)誤按下，右邊得一分，球立即從左邊發(fā)出
led_r[qiu]=0;
qiu<=17;
led_r[qiu]=1;
time_sum<=1;
end
if(time_sum==0)begin
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1; //球到左邊接球邊界，進(jìn)入左邊接球狀態(tài)0
if(qiu>=14)
state<=0;
end
end
end
0: //左邊接球狀態(tài)
begin
if(game_on==4'b0110)
begin //左鍵正確按下，進(jìn)入左邊發(fā)球狀態(tài)
state<=5;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu-5'b00010;
led_r[qiu]=1;
end
if(qiu==17)begin
//初始狀態(tài)球可能賦值為零，這里強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到狀態(tài)5，實(shí)際沒(méi)有出現(xiàn)這種狀態(tài)
state<=5;
r_sum<=r_sum+4'b0001;
end
led_r[qiu]=1;
if(state==0)
begin
if(time_sum==3)begin//每隔0.4s球運(yùn)動(dòng)到下一位
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu==17)begin
//左邊球落到最后一個(gè)LED上，說(shuō)明球已過(guò)線(xiàn)，左邊接球失敗，右邊加一分
state<=5;
r_sum<=r_sum+4'b0001;
end
end
end
end
endcase
if(r_sum==11||l_sum==11)begin
//11分為一局，一局結(jié)束后進(jìn)行下一局，左邊右邊當(dāng)前局?jǐn)?shù)歸零，總局?jǐn)?shù)加一
if(l_sum==11)a_run<=a_run+1;
if(r_sum==11)b_run<=b_run+1;
r_sum<=0;
l_sum<=0;
ju_sum<=ju_sum+4'b0001;
end
//若已進(jìn)行7局，則比賽從新開(kāi)始
if(ju_sum==7)begin
ju_sum<=0;
a_run<=0;
b_run<=0;
end
end
endmodule
七、實(shí)驗(yàn)流程
1、定義引腳圖：
2分頻仿真：分頻為1MHZ,1KHZ（ms）
分頻仿真：1MHz，1khz放大圖（us）
3狀態(tài)機(jī)圖
程序設(shè)計(jì)為6個(gè)狀態(tài)，實(shí)際只有4個(gè)狀態(tài)，可能是由于狀態(tài)0狀態(tài)5優(yōu)化，狀態(tài)2和狀態(tài)3優(yōu)化為一個(gè)狀態(tài)。
4、將程序下載進(jìn)入DE2的開(kāi)發(fā)板，當(dāng)前處于等待發(fā)球狀態(tài)，顯示結(jié)果為第一局結(jié)束，當(dāng)前局?jǐn)?shù)比左邊：右邊=0：1。
5、左邊按下發(fā)球鍵，乒乓球向前移動(dòng)，右邊進(jìn)入等待接球狀態(tài)；
6、在乒乓球進(jìn)入右邊第四個(gè)燈亮之前右邊接球，此時(shí)左邊得一分，并由右邊發(fā)球繼續(xù)進(jìn)行比賽，如果在最后一個(gè)燈亮之前未接球，對(duì)方加一分，并有己方發(fā)球繼續(xù)比賽；
7、長(zhǎng)按左邊第一個(gè)鍵，此時(shí)進(jìn)入時(shí)間暫停，小分暫不顯示；
8、按要求左右雙方在倒數(shù)第四個(gè)燈亮之后，最后一個(gè)燈亮前接球均為好球，這個(gè)接球狀態(tài)有1.2秒左右，就可進(jìn)行乒乓球的游戲；
9、游戲進(jìn)行，比分交替上升，當(dāng)有人小分率先到達(dá)十一分時(shí)，進(jìn)入下一局，如圖顯示為：第二局結(jié)束，局?jǐn)?shù)比為1：1，準(zhǔn)備進(jìn)入下一局，同樣規(guī)則繼續(xù)，當(dāng)有一方率先贏下四局便獲勝，游戲結(jié)束。
八、心得體會(huì)
通過(guò)一天多來(lái)的努力，我們終于把老師交給我們的任務(wù)完成了，明白了fpga編程的一些小技巧。開(kāi)始第一天因?yàn)殡娔X系統(tǒng)原因，無(wú)法安裝驅(qū)動(dòng)，后來(lái)?yè)Q了電腦驅(qū)動(dòng)就可以安裝了。到網(wǎng)上沒(méi)有找到引腳庫(kù)文件，所以只好自己一個(gè)一個(gè)定義引腳。
在編程過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)直接賦值常數(shù)語(yǔ)句最好用x’b---比較好，否則程序默認(rèn)常數(shù)為32位，出現(xiàn)警告。在整個(gè)模塊中，寄存器值只能在某個(gè)always語(yǔ)句中被賦值，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。定義的輸入輸出引腳，寄存器引腳也最好使用，否則也會(huì)出現(xiàn)警告，若這些變量不需要使用，可以注釋掉，以便不時(shí)之需。
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