2024年寒假练 - 用小脚丫FPGA核心板制作秒表

内容介绍

虽然我在大学期间研修过电子相关的科目，但一直到了工作之后，都没接触过FPGA。刚好电子森林在“2024寒假在家一起练”的活动中，提供了一个让电子爱好者学习FPGA的机会。苏州思得普信息科技公司开发了STEP小脚丫FPGA学习平台，专门针对FPGA初学者（尤其是学习数字电路的在校同学）提供了性价比高、学习门槛低的学习模块系列。板上选用的芯片兼具了FPGA和CPLD的优点，瞬时上电启动，无需外部重新配置FPGA，是学习数字逻辑绝佳的选择。

最新推出的STEP-MXO2-LPC在易用性方面做了大幅升级：

使用了USB Type C接口提供板上+5V供电、FPGA的配置，并新增了UART通信的功能，因此无需再通过其它端口与PC进行数据通信
支持U盘模式（连接到上位机的USB端口，上位机自动弹出StepFPGA的U盘盘符）的下载，直接将生成的jed配置文件发送到StepFPGA盘中即可完成编程
升级的Web IDE系统可在任何一款电脑上通过浏览器进行FPGA的编程和编译。图形化的界面使得操作非常直观、便捷

这些亮点对初学者特别友好，极大地简化了开发流程，用户不必再下载安装Diamond软件，节省了大量不必要的时间精力。这一点对于仅仅是尝鲜的业余爱好者来说简直是福音。

因为也仅仅是尝鲜，我就选择了比较简单的第一个任务，实现一个具有启动、停止、递增和清除功能的秒表。具体要求是：

使用七段显示器作为输出设备，在小脚丫FPGA核心板上创建一个2位数秒表。秒表应从0.0秒计数到9.9秒，然后翻转，计数值每0.1秒精确更新一次。秒表使用四个按钮输入：开始、停止、增量和清除（重置）。
开始输入使秒表开始以10Hz时钟速率递增（即每0.1秒计数一次）；停止输入使计数器停止递增，但使数码管显示当前计数器值；每次按下按钮时，增量输入都会导致显示值增加一次，无论按住增量按钮多长时间；复位/清除输入强制计数器值为零。

学习了培训教材《STEP-MXO2 快速入门》之后，我明白了这个任务考察的就是译码器和时钟分频的应用，事实上它与《实验八：计时控制》非常相似。

在小脚丫上有两位独立的共阴极七段数码管。数码管所有的信号都连接到FPGA的管脚，作为输出信号控制。FPGA只要输出这些信号就能够控制数码管的那一段LED亮或者灭。这样我们通过组合逻辑的输出来控制数码管显示数字。下面是数码管显示的表格：

至于时钟分频，我直接参考率入门材料的实验六和实验八的代码，只是因为时钟频率从1Hz改成10Hz，那么计数要从12_000_000改成1_200_000。整体而言，本任务与实验八的设计非常接近：

4-10编码器是个很常见的功能模块，除了参考入门资料，网络上的资源非常多，甚至可以尝试一下最近很流行的大模型。翻墙不易，我们尝试一下国内的智谱清言，结果还是比较靠谱的。

目前看起来，AI给出来的代码已经可以用于参考了。加上小数点，LED显示代码的实现是这样子的：

module display(
	seg_led_tens,
	seg_led_ones,
	cnt_ones,
	cnt_tens
	);

    input  [3:0] cnt_ones, cnt_tens;
    output [8:0] seg_led_tens, seg_led_ones;
    
    reg  [6:0] seg [9:0];
    
	initial 
	begin
		seg[0] = 7'b0111111;	   //  0
		seg[1] = 7'b0000110;	   //  1
		seg[2] = 7'b1011011;	   //  2
		seg[3] = 7'b1001111;	   //  3
		seg[4] = 7'b1100110;	   //  4
		seg[5] = 7'b1101101;	   //  5
		seg[6] = 7'b1111101;	   //  6
		seg[7] = 7'b0000111;	   //  7
		seg[8] = 7'b1111111;	   //  8
		seg[9] = 7'b1101111;	   //  9
	end
	
		assign seg_led_tens[8:0] = {2'b01,seg[cnt_tens]};
	assign seg_led_ones[8:0] = {2'b00,seg[cnt_ones]};
 
endmodule

相对于教程，这个任务多了个增量的选项，跟递增一起实现，需要添加的代码并不多，编译很容易通过了。

点击WebIDE的"FGPA映射"，可以看到编译结果，里面包括有硬件资源使用情况，比如使用的寄存器大小，LUT的个数等。总的来说，这个秒表应用只使用了很少一部分的硬件资源。所以我们可以利用这块核心板实现很多有趣的应用。

通过仿真对显示功能进行了单元测试。

最后把生成的jed文件拷贝到StepFPGA的U盘盘符中，就可以把程序写入小脚丫开发板里面。然后按下四个轻触按钮，重置、开始、停止、增量四个功能都工作正常。

总结，通过这个多功能秒表的简单实现，我总算解除了FPGA，收获还是满满的。

感恩，比心~