【HDL编程实战演练】：Verilog与VHDL在DE2开发板上的应用


参考资源链接：[DE2：Altera Cyclone II FPGA开发板教程与资源概览](https://wenku.csdn.net/doc/648d666b9aecc961cb03c0bf?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. HDL编程概述与DE2开发板简介

硬件描述语言（HDL）是用于电子系统设计和描述电子电路的特殊编程语言。作为FPGA和ASIC设计的核心技术，HDL让工程师能够通过编写代码来定义和模拟电路行为。本章将概述HDL编程的基础，并对本书主要实践平台——DE2开发板进行介绍。

## 1.1 HDL编程简介
HDL语言分为两大阵营：Verilog和VHDL。Verilog以其简练和易学受到许多设计者的青睐，而VHDL则以其严谨的语法和强大的功能在军工和航空航天领域得到广泛应用。HDL不仅允许设计者进行数字电路的设计，还能通过仿真测试其功能，大幅缩短开发周期并降低生产成本。

## 1.2 DE2开发板概述
DE2开发板是Altera公司（现为英特尔旗下企业）推出的教育和研发工具，它搭载了一个功能强大的FPGA芯片，并配备了丰富的外围设备，如LED灯、七段显示器、按钮和开关等。开发板常用于教学和研究，便于设计者快速实现从概念到原型的设计流程。

在本章后续内容中，我们将重点了解如何使用HDL语言在DE2开发板上进行基础实践，包括LED灯控制和七段显示器的操作。这些基础实践将为后续章节中更高级的设计工作打下坚实的基础。接下来，我们将深入学习Verilog和VHDL的基础知识，并探讨如何将这些技术应用于DE2开发板。

# 2. Verilog基础与实践

## 2.1 Verilog语法基础

### 2.1.1 数据类型和操作符

在Verilog中，数据类型是用于定义在模块中使用的变量的类型，它们决定了如何存储和处理数据。基本的数据类型包括线网（wire）和寄存器（reg）。

线网（wire）用于连续赋值，如逻辑门的输入和输出。它们表示硬件中持续流通的信号。

寄存器（reg）用于过程赋值，比如在always块中赋值。尽管它们叫做“寄存器”，但并不一定代表实际的硬件寄存器。

操作符用于对数据进行运算，Verilog支持逻辑、算术、关系和按位操作符。例如：

- `&`：按位与
- `|`：按位或
- `~`：按位非
- `==`：相等比较
- `!=`：不等比较
- `+`：加法
- `-`：减法
- `*`：乘法
- `/`：除法

此外，逻辑操作符如`&&`（逻辑与）、`||`（逻辑或）和`!`（逻辑非）也被广泛应用于控制逻辑的表达。

wire [3:0] a, b, c;
reg [3:0] sum;

always @(a or b) begin
    sum = a + b; // 加法操作
    c = a & b;   // 位与操作
end

在上述示例代码中，`a`、`b`和`c`被定义为4位宽的线网类型，`sum`被定义为4位宽的寄存器类型。在`always`块中，每当`a`或`b`变化时，执行加法和位与操作。

### 2.1.2 模块和端口声明

模块是Verilog中用于设计的构建块，它定义了一个可以独立仿真和综合的电路单元。模块的端口声明为模块与外部环境提供接口。

端口声明需要指定端口方向，可以是输入（input）、输出（output）或双向（inout）。端口声明时需要指定数据类型。

module my_module(input [3:0] in_data,
                 output reg [3:0] out_data);
    // 模块体
endmodule

在上述代码段中，`my_module`模块有两个端口：`in_data`和`out_data`。`in_data`为4位宽的输入端口，`out_data`为4位宽的输出端口。

模块体可以包含变量声明、参数、initial块、always块等。模块可以被实例化多次，使得设计具有可重用性。

## 2.2 Verilog编程技巧

### 2.2.1 结构化编程结构

结构化编程结构指的是一系列逻辑构建块，如条件语句（`if`、`case`）和循环语句（`for`、`while`、`repeat`），它们可以用来构建复杂的逻辑控制。

条件语句用于基于特定条件执行代码分支：

if (condition) begin
    // 条件为真时执行
end else begin
    // 条件为假时执行
end

循环语句则用于重复执行一段代码直到满足特定条件：

for (initial_value; termination_condition; increment) begin
    // 循环体
end

结构化编程的使用有助于代码的可读性和可维护性，应尽量避免在always块中使用组合逻辑。

### 2.2.2 时序控制和状态机设计

时序控制是基于时间或时钟边沿的控制逻辑。Verilog提供了`posedge`（上升沿）和`negedge`（下降沿）关键字用于描述时序逻辑。

always @(posedge clk) begin
    // 在时钟上升沿执行的代码
end

状态机设计是一种复杂控制逻辑，常见的有Moore和Mealy两种状态机。状态机的每个状态代表电路可以处于的不同条件，状态转换基于输入信号的变化。

reg [1:0] state, next_state;

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        state <= 0;
    end else begin
        state <= next_state;
    end
end

always @(*) begin
    case (state)
        0: next_state = 1; // 转换逻辑
        1: next_state = 2;
        // 其他状态转换
    endcase
end

## 2.3 Verilog在DE2开发板上的应用

### 2.3.1 用Verilog实现简单的LED灯控制

LED灯控制是HDL初学者的入门级项目，通过编写Verilog代码控制LED的亮灭，可以理解硬件描述语言与物理硬件之间的对应关系。

module led_control(input wire clk,    // 时钟信号
                   input wire reset,  // 复位信号
                   output reg [7:0] led); // 8个LED灯

// LED控制逻辑

endmodule

在上述代码段中，模块`led_control`接收时钟`clk`和复位`reset`信号，控制8个LED灯的亮灭。实际的控制逻辑需要实现一个计数器或状态机，根据计数结果点亮或熄灭LED。

### 2.3.2 利用DE2开发板的七段显示器

七段显示器是一种常用于数字显示的设备，利用Verilog可以控制DE2开发板上的七段显示器显示不同的数字和字符。

module seven_seg_display(input wire [3:0] binary_in, // 4位二进制输入
                        output reg [6:0] seg);         // 7段LED输出

// 七段显示控制逻辑

endmodule

在上面的模块`seven_seg_display`中，`binary_in`为4位输入信号，用来表示0到F的十六进制数，`seg`为7位输出信号，用来控制七段显示器上的LED段。

根据输入的二进制数值，需要编写逻辑来激活对应的LED段，从而显示出正确的数字或字符。

# 3. VHDL基础与实践

## 3.1 VHDL语法基础

### 3.1.1 实体和架构概念

VHDL是一种用于描述电子系统硬件的语言，它通过两个主要概念来构建模块：实体（Entity）和架构（Architecture）。实体定义了模块的接口，而架构则描述了模块的内部功能。

-- VHDL 实体示例
entity my_entity is
    Port ( input_signal : in  std_logic;
           output_signal: out std_logic);
end my_entity;

-- VHDL 架构示例
architecture Behavioral of my_entity is
begin
    -- 描述实体的行为
    process(input_signal)
    begin
        output_signal <= not input_signal;
    end process;
end Behavioral;

在上述代码中，`my_entity` 是实体的名称，它有两个端口：`input_signal` 和 `output_signal`。架构 `Behavioral` 描述了如何根据输入信号 `input_signal` 的状态来控制输出信号 `output_signal` 的状态。

### 3.1.2 数据类型和信号操作

VHDL的数据类型和操作符与常规编程语言类似，但还增加了用于硬件描述的特殊类型和操作符。最常用的类型有 `std_logic` 和 `std_logic_vector`，它们代表单个逻辑信号和多位逻辑信号。

signal my_signal : std_logic := '0';
signal my_vector : std_logic_vector(3 downto 0) := "1010";

`std_logi