流水灯 FPGA 设计 Verilog Vivado

名称：流水灯 FPGA 设计 Verilog Vivado

软件：Vivado

语言：Verilog

功能介绍

本设计实现一个 8 位 LED 流水灯控制系统，顶层模块为 led_top，输入包括系统时钟 clk 和低有效复位 rst_n，输出为 8 位 led 信号。系统通过分频模块产生固定节拍 tick，再由 LED 控制模块根据 tick 推动灯效状态变化，实现按节奏步进的流水灯显示效果。 工程采用模块化 Verilog 结构，适合用于 FPGA 入门实验、时钟分频练习、LED 外设控制以及 Vivado 工程流程学习。设计重点覆盖顶层例化、参数化分频、复位控制、时序逻辑状态更新和 Testbench 仿真验证，便于学习者理解从 RTL 编写到仿真观察的完整过程。 顶层参数 DIVIDE 默认设置为 50_000_000，用于将输入时钟转换为约 1Hz 的单周期 tick 脉冲。实际使用时可根据板载时钟频率或仿真速度调整该参数，从而改变 LED 流水切换速度。

运行环境

开发软件：Vivado 设计语言：Verilog 工程类型：Vivado FPGA 工程 主要文件包括 led_top.v、clk_divider.v、led_controller.v 和 led_top_tb.v，工程中包含行为仿真相关文件，可用于查看整体仿真、分频模块和 LED 控制模块的运行效果。

设计思路

系统采用“时钟分频 + LED 花型控制”的设计思路。顶层 led_top 只负责端口组织和子模块连接，将时钟节拍生成与 LED 输出控制拆分为两个独立模块，降低模块耦合度，也方便单独理解和调试。 clk_divider 模块根据参数 DIVIDE 对输入时钟进行计数，当计数达到设定周期后输出一个单周期 tick 脉冲。该 tick 不直接替代系统时钟，而是作为 LED 控制模块的节拍使能信号，这种写法能让核心逻辑仍然工作在同一个 clk 时钟域下，结构更清晰，也更符合常见 FPGA 同步设计习惯。 led_controller 模块在复位后初始化 LED 状态，并在每次 tick 到来时更新 led[7:0] 输出。通过将 LED 状态变化集中在控制模块中，后续若需要调整流水方向、增加花型或扩展显示模式，只需要修改控制逻辑，不影响分频器和顶层连接。

模块结构

顶层模块：led_top 分频模块：clk_divider，负责将输入时钟转换为周期性 tick 脉冲。 LED 控制模块：led_controller，负责根据 tick 节拍更新 8 位 LED 输出花型。 测试模块：led_top_tb，用于对顶层设计进行行为仿真。

演示视频

包含流水灯效果演示视频，可用于直观看到 LED 按节拍变化的运行表现。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL 图、Testbench、整体仿真图、分频模块仿真说明以及 LED 控制模块相关内容。仿真部分可用于观察 tick 节拍产生过程、复位后的 LED 输出变化，以及顶层模块中分频器与 LED 控制器之间的连接关系。

部分代码

以下展示顶层模块 led_top 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module led_top #(parameter DIVIDE = 50_000_000) (
    input clk,
    input rst_n,
    output [7:0] led
);

// 分频器输出的 1Hz 单周期脉冲
wire tick;

// 实例化分频器：将 clk 转换为 1Hz tick
clk_divider #(.DIVIDE(DIVIDE)) u_div (
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tick(tick)
);

// 实例化 LED 控制器：根据 tick 触发花型步进
led_controller u_led_ctrl (
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tick(tick),
    .led(led)
);
endmodule

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