正如C程序初学者尝试的第一个程序是写一个“hello World”一样，FPGA初学者的第一个程序一般都为“心跳（heart beat）灯”，也就是通过系统的时钟进行分频，产生周期性的低频信号（高、低电平交替变化驱动LED），控制LED灯的点亮和熄灭。


### 1. 硬件平台
我们以[[STEP-MXO2第一代]]为例，对于其它平台只需要注意其时钟的频率以及管脚的分配。

### 2. 设计要求
  - 初步了解数字设计的基本思想和开发流程
  - 熟悉[[Lattice_fpga|Diamond软件]]和仿真软件的使用方法及流程
  - 控制LED闪烁，闪烁周期为1秒
  - 了解FPGA时钟的使用
  - 了解时钟分频的工作原理
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### 3. 工作原理
按照设计要求，控制LED闪烁的周期为1秒，则LED灯需要点亮0.5s，然后熄灭0.5s，然后点亮0.5s，然后熄灭0.5s，循环执行。

通过上面的分析，我们发现LED的控制信号就是一个周期为1s，占空比为50%的信号，我们可以定义一个寄存器和一个计数器，计数器负责计数满0.5s时寄存器翻转，实现对LED的闪烁控制。

开发板上晶振为25MHz，0.5s对应晶振12500000个周期的时间，所以计数器对晶振信号计数，当计12500000个数时，控制寄存器翻转。

### 4. 硬件连接
LED也叫发光二极管，可以把电能转化成光能，因为是二极管的一种，由一个PN接组成，具有单向导电性。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流，LED的亮度与电流有关，一般LED能够承受的最大电流为20mA（具体需要看使用的LED的参数），本设计使用的限流电阻为1K。下图为LED的硬件电路：

{{ :led电路连接.jpg |LED电路连接}}
<WRAP centeralign>**LED电路连接** </WRAP>

本设计中我们只控制LD1(LED)进行闪烁，由上图可知当控制信号LED1端为高电平时D1熄灭，当控制信号LED1端为低电平时LD1点亮。

数码管模块、小脚丫与FPGA的引脚连接关系如下：
 
^ LED模块   |LED1   |
^ FPGA管脚  |A3    |
^

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### 5. 代码设计

#### 5.1 设计文件
模块框图如下：
{{ :blink.jpg |Blink}}

我们首先定义一个参数：parameter CNT_NUM = 12500000 ，我们将参数定义放在模块的端口声明中，这样在模块被其他模块调用时可以通过端口重新定义参数的值。

计数器cnt位宽为24， 2^24 = 16777216， 大于我们设定的计数终值CNT_NUM = 12500000。cnt计数范围为0~（CNT_NUM-1），共计12500000个数，0.5s。

然后使用计数器计数触发寄存器信号不断翻转，如下：
<code verilog>
reg [23:0] cnt;
reg        clk_div;
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		cnt <= 24'd0;
		clk_div <= 1;
	end else begin
		if(cnt>=CNT_NUM-1) begin
			cnt <= 24'd0;
			clk_div <= ~clk_div;
		end else cnt <= cnt + 1;
	end
end
</code>
\\ 

#### 5.2 测试文件

测试文件，也称testbench文件，是一种验证的手段，testbench文件在软件环境中模拟实际环境，产生被测模块输入端口需要的激励信号，对被测模块的输出信号分析，达到评估被测模块的目的。

对于测试文件，我们需要提供被测模块（Blink）需要的时钟（sys_clk）及复位（sys_rst_n），如下：

<code verilog>
reg sys_clk;
initial
	sys_clk = 1'b0;
always
	sys_clk = #(CLK_PERIOD/2) ~sys_clk;
 
reg sys_rst_n;  //active low
initial 
	begin
		sys_rst_n = 1'b0;
		#100;
		sys_rst_n = 1'b1;
	end
</code>

然后调用被测模块（Blink），注意模块调用时参数的重定义及端口的传递，为了方便仿真，减少仿真时间，我们将设计文件中的计数终值参数（CNT_NUM）在测试文件中重新赋值为10，这样我们在仿真时计数器的计数范围应该为0~9。

模块调用方法如下：
<code verilog>
blink #(.CNT_NUM(10)) blink_uut(
                               .clk_in   (sys_clk),
                               .rst_n_in (sys_rst_n),
                               .led_out  (led_out)
                               );
</code>
 
引脚分配如下：

^ 管脚名称 | clk_in | rst_n_in  | led_out  |
^ FPGA管脚 | C1     | B1        | A3        |


### 6. 仿真结果

{{:仿真结果.jpg|仿真结果}}

### 7. 资源报告

^ 资源 | 数量  | 比例  | 说明  |
^ LUTs | 36    | 3%    |   |	
^ 寄存器 | 25    | 2% |   |
^ 存储器 | 0  | 0%   |    |
^ IO管脚   | 3 |   |    |
^ 时钟频率 | 25MHz |   |    |

### 8. 学习的知识点
  * LED闪烁原理
  * FPGA时钟的使用
  * 时钟分频

### 9. 参考阅读
  * {{:machxo2familydatasheet.pdf|Lattice MachXO2数据手册}}

### 10. 相关设计文档
^ **文件名称**  | **功能** |
^ **[[Blink]].v** | **LED闪烁** |
^ **[[Blink_test]].v** | **测试文件** |

### 11. 扩展实验
XO2 FPGA自带时钟发生器，但其精度较低（5%），对于基本的功能性的实验是够了的，但对于高精度要求的应用，其芯片内部振荡器产生的时钟就无法满足要求，因此在我们的小脚丫开发板上还连接了外部晶振产生的25MHz的时钟信号，在上述的实验中我们采用了25MHz的时钟信号来产生LED的交替控制信号，用户可以尝试采用内部的时钟产生所需要的LED控制信号。