一、設計需求
設計一個驅動74HC595芯片工作的功能模塊，并在CB哥的開發板上8盞led燈上實現流水燈的效果。
二、設計思路
1、74HC595介紹及分析
圖1所示為74HC595芯片的封裝及引腳分布。74HC595是由8位移位寄存器和8位三態并行輸出的D型鎖存器組成，如圖2所示。
圖1 74HC595封裝及引腳分布
圖2 74HC595邏輯圖
74HC595具有以下特征：
（1） 移位寄存器接收串行數據、提供串行或8位并行數據輸出；
（2） 移位寄存器和鎖存器擁有獨立的時鐘輸入；
（3） 移位寄存器擁有異步復位信號
圖3所示為74HC595的功能表，于是可總結為：
當復位信號RESET為低電平時，
（1） 移位寄存器輸出為低電平（包括并行和串行輸出）；
（2） 當輸出使能信號為低電平時，若鎖存器時鐘上升沿到來，則最后輸出為低電平（移位寄存器輸出），否則保持不變；當輸出使能信號為高電平時，最后輸出為高阻態。
當復位信號RESET為高電平時，
（1） 當移位時鐘上升沿到來時，移位寄存器輸出與輸入內容一樣，否則保持不變；
（2） 當輸出使能信號為低電平時，若鎖存器時鐘上升沿到來，則最后輸出與輸入內容（移位寄存器輸出），否則保持不變；當輸出使能信號為高電平時，最后輸出為高阻態。
圖3 74HC595功能表
圖4所示為74HC595的時序圖。由時序圖可以看出，串行輸入數據在移位時鐘的上升沿被讀進移位寄存器中；當復位信號有效時，移位寄存器被清零；在輸出使能為低電平且鎖存時鐘的上升沿時，移位寄存器的值被鎖存輸出；當輸出使能為高電平時，輸出高阻態。而串行輸出接口則是輸出移位寄存器的最高位，且不受輸出使能的控制。
圖4 74HC595時序圖
本次的led流水燈設計不需要高阻態，故將輸出使能始終置為低電平，同時也不需要復位信號，將其置為高電平，永不復位。此外也不需要串行輸出。在不考慮這三個信號的情況下，重新給出簡化后的74HC595時序圖，如圖5所示。這里考慮了輸入數據對移位時鐘上升沿的建立時間和保持時間，如圖6所示，由于芯片供電電壓為3.3V且當前的室溫是在25攝氏度到85攝氏度之間，故最小建立時間和保持時間分別為50ns和5ns。而移位時鐘上升沿對鎖存時鐘上升沿的最小建立時間為70ns。
圖5 簡化后的74HC595時序圖
圖6 建立時間和保持時間要求
此外，移位時鐘的最大頻率可以是10MHz，如圖7所示。但為了滿足時序要求，移位時鐘采用5MHz即200ns，輸入數據只能在移位時鐘的下降沿改變，這里建立時間和保持時間裕量分別為50ns和95ns。鎖存時鐘也在移位時鐘的下降沿產生，于是建立時間裕量還有30ns。
圖7 移位時鐘最大頻率與溫度、電壓的關系
2、設計分析
如圖8所示，本設計由三個模塊組合，分別為子模塊led_ctrl、driver_74595和頂層模塊led_water，它們的作用分別為：
led_ctrl模塊 ：負責產生流水燈顯示的數據；
driver_74595模塊 ：負責驅動74HC595芯片工作并發送led數據；
led_water頂層模塊 ：例化led_ctrl和driver_74595模塊，完成流水燈設計。
圖8 設計組織框架
至于led_ctrl模塊設計思路可參考上上篇博文“FPGA應用（一）——流水燈”，這里主要分析driver_74595模塊的設計。該模塊采用狀態機的方案來實現，如圖9所示。狀態機中有四個狀態，分別為IDLE、CLK_L、CLK_H和FINISH。在IDLE中主要完成led數據的加載和發送；在CLK_L中產生移位時鐘的低電平；在CLK_H中產生移位時鐘的高電平和led數據的發送；在FINISH中產生鎖存時鐘。
圖9 74HC595驅動狀態機
三、設計實現
led_water頂層模塊：
/**********************************************版權申明*************************************************
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： led_water.v
** 創建者： CrazyBird
** 創建日期： 2015-7-11
** 版本號: v1.0
** 功能描述： 該模塊完成74HC595的驅動并實現流水燈的功能
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module led_water(
rst_n,
clk,
shift_clock,
lacth_clock,
led_dout
);
//******************************************************************************
// 參數定義
//******************************************************************************
// 修改以下參數以滿足需求
parameter CLK_CYCLE = 20; // 時鐘周期，單位ns
parameter LED_WIDTH = 8; // led數據位寬
// 修改以上參數以滿足需求
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復位信號
input clk; // 全局時鐘信號，50MHz
output shift_clock; // 74HC595的移位時鐘信號
output lacth_clock; // 74HC595的鎖存時鐘信號
output led_dout; // 74HC595的串行數據輸入
//******************************************************************************
// 變量定義
//******************************************************************************
wire [LED_WIDTH-1:0] led_data; // led燈數據輸出
wire led_flag; // led燈數據輸出標志
//******************************************************************************
// 模塊連接
//******************************************************************************
// 例化led_ctrl模塊
led_ctrl #(
.CLK_CYCLE(CLK_CYCLE),
.LED_WIDTH(LED_WIDTH)
)
u_led_ctrl(
.rst_n ( rst_n ),
.clk ( clk ),
.led_data ( led_data ),
.led_flag ( led_flag )
);
// 例化driver_74595模塊
driver_74595 #(
.CLK_CYCLE(CLK_CYCLE),
.LED_WIDTH(LED_WIDTH)
)
u_driver_74595(
.rst_n ( rst_n ),
.clk ( clk ),
.led_data ( led_data ),
.led_flag ( led_flag ),
.shift_clock ( shift_clock ),
.latch_clock ( lacth_clock ),
.led_dout ( led_dout )
);
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結束*****************************************************
led_ctrl模塊：
/**********************************************版權申明*************************************************
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： led_ctrl.v
** 創建者： CrazyBird
** 創建日期： 2015-7-11
** 版本號: v1.0
** 功能描述： 該模塊主要負責產生led燈流水顯示的數據
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module led_ctrl(
rst_n,
clk,
led_data,
led_flag
);
//******************************************************************************
// 參數定義
//******************************************************************************
// 修改以下參數以滿足需求
parameter CLK_CYCLE = 20; // 時鐘周期，單位ns
parameter T0 = 500_000_000; // 0.5s，流水燈流動速率
// parameter T0 = 5000; // 測試用
parameter LED_WIDTH = 8; // led數據位寬
parameter DELAY0 = 25; // 計數器位寬
// 修改以上參數以滿足需求
// 以下參數不要修改
parameter T0_VAL = (T0/CLK_CYCLE)-1; // 0.5s，流水燈流動速率
// 以上參數不要修改
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復位信號
input clk; // 全局時鐘信號，50MHz
output reg [LED_WIDTH-1:0] led_data; // led燈數據輸出
output reg led_flag; // led燈數據輸出標志
//******************************************************************************
// 計數器
//******************************************************************************
reg [DELAY0-1:0] cnt;
wire cnt_done; // 0.5計數完成標志位
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
cnt <= {(LED_WIDTH){1'b0}};
else if(cnt_done==1'b1)
cnt <= {(LED_WIDTH){1'b0}};
else
cnt <= cnt + 1'b1;
end
assign cnt_done = (cnt==T0_VAL);
//******************************************************************************
// 流水燈數據的產生
//******************************************************************************
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
begin
led_data <= {{(LED_WIDTH-1){1'b0}},1'b1};
led_flag <= 1'b0;
end
else if(cnt_done==1'b1)
begin
led_data <= {led_data[LED_WIDTH-2:0],led_data[LED_WIDTH-1]};
led_flag <= 1'b1;
end
else
begin
led_data <= led_data;
led_flag <= 1'b0;
end
end
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結束*****************************************************
driver_74595模塊：
/**********************************************版權申明*************************************************
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： driver_74595.v
** 創建者： CrazyBird
** 創建日期： 2015-7-11
** 版本號: v1.0
** 功能描述： 該模塊完成對74HC595的驅動
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module driver_74595(
rst_n,
clk,
led_data,
led_flag,
shift_clock,
latch_clock,
led_dout
);
//******************************************************************************
// 參數定義
//******************************************************************************
// 修改以下參數以滿足需求
parameter CLK_CYCLE = 20; // 時鐘周期，單位ns
parameter T0 = 100; // 100ns，移位時鐘高低電平時間長度
parameter T1 = 200; // 200ns，鎖存時鐘周期
parameter LED_WIDTH = 8; // led數據位寬
parameter W0 = 3; // 100ns計數器位寬
parameter W1 = 4; // 200ns計數器位寬
parameter W2 = 4; // 計算移位時鐘周期數
// 修改以上參數以滿足需求
// 以下參數不要修改
parameter T0_VAL = (T0/CLK_CYCLE)-1; // 100ns，移位時鐘高低電平時間長度
parameter T1_VAL = (T1/CLK_CYCLE)-1; // 200ns，鎖存時鐘周期
parameter IDLE = 2'b00,
CLK_L = 2'b01,
CLK_H = 2'b10,
FINISH = 2'b11;
// 以上參數不要修改
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復位信號
input clk; // 全局時鐘信號，50MHz
input [LED_WIDTH-1:0] led_data; // led燈數據輸出
input led_flag; // led燈數據輸出標志
output reg shift_clock; // 74HC595的移位時鐘信號
output reg latch_clock; // 74HC595的鎖存時鐘信號
output led_dout; // 74HC595的串行數據輸入
//******************************************************************************
// 變量定義
//******************************************************************************
wire shift_clock_cnt_done; // 100ns計數完成標志位
wire latch_clock_cnt_done; // 200ns計數完成標志位
wire period_cnt_done; // 生成8個移位時鐘標志位
//******************************************************************************
// 狀態機實現74HC595驅動
//******************************************************************************
reg [1:0] state;
reg [LED_WIDTH-1:0] led_data_r; // led燈的加載變量
reg shift_clock_cnt_en; // 100ns計數使能
reg latch_clock_cnt_en; // 200ns計數使能
reg period_cnt_en; // 移位時鐘周期計數使能
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
begin
state <= IDLE;
led_data_r <= {(LED_WIDTH){1'b0}};
shift_clock <= 1'b0;
latch_clock <= 1'b0;
shift_clock_cnt_en <= 1'b0;
latch_clock_cnt_en <= 1'b0;
period_cnt_en <= 1'b0;
end
else
begin
case(state)
IDLE :
begin
if(led_flag)
begin
state <= CLK_L;
led_data_r <= led_data; // 數據加載
shift_clock_cnt_en <= 1'b1;
end
else
state <= IDLE;
end
CLK_L :
begin
shift_clock <= 1'b0;
if(shift_clock_cnt_done==1'b1)
state <= CLK_H;
else
state <= CLK_L;
end
CLK_H :
begin
shift_clock <= 1'b1;
period_cnt_en <= 1'b1;
if(shift_clock_cnt_done==1'b1)
begin
period_cnt_en <= 1'b0;
if(period_cnt_done==1'b1)
begin
state <= FINISH;
shift_clock_cnt_en <= 1'b0;
latch_clock_cnt_en <= 1'b1;
shift_clock <= 1'b0;
end
else
begin
state <= CLK_L;
led_data_r <= {led_data_r[LED_WIDTH-2:0],1'b0};
end
end
else
state <= CLK_H;
end
FINISH :
begin
latch_clock <= 1'b1;
if(latch_clock_cnt_done==1'b1)
begin
state <= IDLE;
latch_clock_cnt_en <= 1'b0;
latch_clock <= 1'b0;
end
else
state <= FINISH;
end
endcase
end
end
//******************************************************************************
// 各種計數器
//******************************************************************************
// 移位時鐘計數器
reg [W0-1:0] shift_clock_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
shift_clock_cnt <= {(W0){1'b0}};
else if(shift_clock_cnt_en==1'b1)
begin
if(shift_clock_cnt_done==1'b1)
shift_clock_cnt <= {(W0){1'b0}};
else
shift_clock_cnt <= shift_clock_cnt + 1'b1;
end
else
shift_clock_cnt <= {(W0){1'b0}};
end
assign shift_clock_cnt_done = (shift_clock_cnt==T0_VAL);
// 鎖存時鐘計數器
reg [W1-1:0] latch_clock_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
latch_clock_cnt <= {(W1){1'b0}};
else if(latch_clock_cnt_en)
begin
if(latch_clock_cnt_done==1'b1)
latch_clock_cnt <= {(W1){1'b0}};
else
latch_clock_cnt <= latch_clock_cnt + 1'b1;
end
else
latch_clock_cnt <= {(W1){1'b0}};
end
assign latch_clock_cnt_done = (latch_clock_cnt==T1_VAL);
// 移位時鐘周期計數器
reg [W2-1:0] period_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
period_cnt <= {(W2){1'b0}};
else if((period_cnt_en==1'b1)&&(shift_clock_cnt_done==1'b1))
begin
if(period_cnt_done==1'b1)
period_cnt <= {(W2){1'b0}};
else
period_cnt <= period_cnt + 1'b1;
end
else
period_cnt <= period_cnt;
end
assign period_cnt_done = (period_cnt==7);
//******************************************************************************
// led數據輸出
//******************************************************************************
assign led_dout = led_data_r[LED_WIDTH-1];
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結束*****************************************************
仿真結果如下：
很明顯，從仿真結果來看，本設計已實現了功能。接著，就可以對設計進行綜合、布局布線、生成bit流文件和下載到板子上。在開發板上可以看到8盞led燈在做流水運動。
