【旧文更新】基于FPGA的Verilog HDL自动售货机
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关于旧文新发
为何要进行旧文新发？
因为我在2023年博客之星评选中发现 有的人转载、抄袭他人文章 稍微改动几下也能作为高质量文章入选
所以我将把我的旧文重新发一次 然后也这样做
2023年博客之星规则：
FPGA
左边9个拨动开关是10元商品的选择器，右边9个拨动开关是15元商品的选择器，需要什么商品就上拨开关，然后商品的总钱数会显示在左边两个数码管上（例如我上拨左边2个，右边1个，数码管就应该显示为210+115=35）
左边两个按键分别为进钱5元，进钱10元，按按几下，就是进了几次对应的钱，然后将总钱数显示在中间的数码管上
右边两个按键分别为确定出货和清零，当按下确定建时，如果进钞总数大于商品所需钱数，就将剩余的钱数显示在左边的数码管上，中间数码管置零，如果钱不够，就进行LED灯的闪烁警告。
当按清零按键时，就将所有数码管置零。
代码如下：
module TCD1206(C5,C10,F,S10,S15,Y5);
//程序开始的顶层文件名和总变量
input C5, C10, F; //定义输入
output S10, S15, Y5; //定义输出
reg S10, S15, Y5; //定义寄存器类型的三种输出变量
wire s10_enable,s15_enable,s20_enable; //定义线型使能信号变量
reg [3:0] s_count; //定义6位RS计数器变量
parameter s_end = 'h5, //赋值RS使能信号的结束值
s20_begin = 'h4,
s15_begin = 'h3, //SH结束值
s10_begin = 'h2; //SH开始值 占空比1/10 周期1ms
assign s10_enable = ((s_count>=s10_begin));
//赋值RS使能信号范围
assign s15_enable = ((s_count>=s15_begin));
//赋值SH使能信号范围
assign s20_enable = ((s_count>=s20_begin));
//赋值 CR1、CR2使能信号范围
//RS信号产生部分
always@(posedge C5 or posedge C10)
//always语句块 CLK和RST上升沿有效
begin //语句块开始
if (C10) s_count<=s_count+1'b1+1'b1; //当RST信号变为高电平时 6位计数器置0
else if (s_count>=s_end -1 ) s_count <= 3'h0;
//当计数器超过最大值-1时 计数器清零
else s_count<=s_count+1'b1;
//其他范围内计数器加一位二进制的1
end //结束语句块
always@(posedge F)
begin
if (!F) S10<=1'b0,S15<=1'b0;
else if (s20_enable) Y5<= 1'b1,S15<=1'b0,s_count<=1'b0;
else if (s15_enable) S15<= 1'b1 ,s_count<=1'b0;
else if (s10_enable) S10<= 1'b1 ,s_count<=1'b0;
//当RS使能信号高电平时RS信号置1
else S10<=1'b0,S15<=1'b0,Y5<= 1'b0; //其他时候RS为0
end
endmodule //程序结束
Cortex-M架构SysTick系统定时器阻塞和非阻塞延时
首先是最常用的阻塞延时
void delay_ms(unsigned int ms)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
while(ms--)
{
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
}
SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
void delay_us(unsigned int us)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000/1000-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
while(us--)
{
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
}
SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
50000000表示工作频率
分频后即可得到不同的延时时间
以此类推
那么 不用两个嵌套while循环 也可以写成：
void delay_ms(unsigned int ms)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000*ms-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
void delay_us(unsigned int us)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000/1000*us-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
但是这种写法有个弊端
那就是输入ms后，最大定时不得超过计数值，也就是不能超过LOAD的最大值，否则溢出以后，则无法正常工作
而LOAD如果最大是32位 也就是4294967295
晶振为50M的话 50M的计数值为1s 4294967295计数值约为85s
固最大定时时间为85s
但用嵌套while的话 最大可以支持定时4294967295*85s
如果采用非阻塞的话 直接改写第二种方法就好了：
void delay_ms(unsigned int ms)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000*ms-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
//while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
//SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
void delay_us(unsigned int us)
{
SysTick->LOAD = 50000000/1000/1000*us-1; // Count from 255 to 0 (256 cycles) 载入计数值 定时器从这个值开始计数
SysTick->VAL = 0; // Clear current value as well as count flag 清空计数值到达0后的标记
SysTick->CTRL = 5; // Enable SysTick timer with processor clock 使能26MHz的系统定时器
//while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// Wait until count flag is set 等待
//SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick 关闭系统定时器
}
将等待和关闭定时器语句去掉
在使用时加上判断即可变为阻塞：
delay_ms(500);
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);
SysTick->CTRL = 0;
在非阻塞状态下 可以提交定时器后 去做别的事情 然后再来等待
不过这样又有一个弊端 那就是定时器会自动重载 可能做别的事情以后 定时器跑过了 然后就要等85s才能停下
故可以通过内部定时器来进行非阻塞延时函数的编写
基本上每个mcu的内部定时器都可以配置自动重载等功能 网上资料很多 这里就不再阐述了
附录：压缩字符串、大小端格式转换
压缩字符串
首先HART数据格式如下：
重点就是浮点数和字符串类型
Latin-1就不说了 基本用不到
浮点数
浮点数里面 如 0x40 80 00 00表示4.0f
在HART协议里面 浮点数是按大端格式发送的 就是高位先发送 低位后发送
发送出来的数组为：40,80,00,00
但在C语言对浮点数的存储中 是按小端格式来存储的 也就是40在高位 00在低位
浮点数：4.0f
地址0x1000对应00
地址0x1001对应00
地址0x1002对应80
地址0x1003对应40
若直接使用memcpy函数 则需要进行大小端转换 否则会存储为：
地址0x1000对应40
地址0x1001对应80
地址0x1002对应00
地址0x1003对应00
大小端转换：
void swap32(void * p)
{
uint32_t *ptr=p;
uint32_t x = *ptr;
x = (x << 16) | (x >> 16);
x = ((x & 0x00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF);
*ptr=x;
}
压缩Packed-ASCII字符串
本质上是将原本的ASCII的最高2位去掉 然后拼接起来 比如空格(0x20)
四个空格拼接后就成了
1000 0010 0000 1000 0010 0000
十六进制：82 08 20
对了一下表 0x20之前的识别不了
也就是只能识别0x20-0x5F的ASCII表
压缩/解压函数后面再写：
//传入的字符串和数字必须提前声明 且字符串大小至少为str_len 数组大小至少为str_len%4*3 str_len必须为4的倍数
uint8_t Trans_ASCII_to_Pack(uint8_t * str,uint8_t * buf,const uint8_t str_len)
{
if(str_len%4)
{
return 0;
}
uint8_t i=0;
memset(buf,0,str_len/4*3);
for(i=0;i<str_len;i++)
{
if(str[i]==0x00)
{
str[i]=0x20;
}
}
for(i=0;i<str_len/4;i++)
{
buf[3*i]=(str[4*i]<<2)|((str[4*i+1]>>4)&0x03);
buf[3*i+1]=(str[4*i+1]<<4)|((str[4*i+2]>>2)&0x0F);
buf[3*i+2]=(str[4*i+2]<<6)|(str[4*i+3]&0x3F);
}
return 1;
}
//传入的字符串和数字必须提前声明 且字符串大小至少为str_len 数组大小至少为str_len%4*3 str_len必须为4的倍数
uint8_t Trans_Pack_to_ASCII(uint8_t * str,uint8_t * buf,const uint8_t str_len)
{
if(str_len%4)
{
return 0;
}
uint8_t i=0;
memset(str,0,str_len);
for(i=0;i<str_len/4;i++)
{
str[4*i]=(buf[3*i]>>2)&0x3F;
str[4*i+1]=((buf[3*i]<<4)&0x30)|(buf[3*i+1]>>4);
str[4*i+2]=((buf[3*i+1]<<2)&0x3C)|(buf[3*i+2]>>6);
str[4*i+3]=buf[3*i+2]&0x3F;
}
return 1;
}
大小端转换
在串口等数据解析中 难免遇到大小端格式问题
什么是大端和小端
所谓的大端模式，就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
所谓的小端模式，就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
简单来说：大端——高尾端，小端——低尾端
举个例子，比如数字 0x12 34 56 78在内存中的表示形式为：
1)大端模式：
低地址 -----------------> 高地址
0x12 | 0x34 | 0x56 | 0x78
2)小端模式：
低地址 ------------------> 高地址
0x78 | 0x56 | 0x34 | 0x12
可见，大端模式和字符串的存储模式类似。
数据传输中的大小端
比如地址位、起止位一般都是大端格式
如：
起始位：0x520A
则发送的buf应为{0x52,0x0A}
而数据位一般是小端格式（单字节无大小端之分）
如：
一个16位的数据发送出来为{0x52,0x0A}
则对应的uint16_t类型数为： 0x0A52
而对于浮点数4.0f 转为32位应是：
40 80 00 00
以大端存储来说 发送出来的buf就是依次发送 40 80 00 00
以小端存储来说 则发送 00 00 80 40
由于memcpy等函数 是按字节地址进行复制 其复制的格式为小端格式 所以当数据为小端存储时 不用进行大小端转换
如：
uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x00,0x00,0x80,0x40};
memcpy(&dat,buf,4);
float f=0.0f;
f=*((float*)&dat); //地址强转
printf("%f",f);
或更优解：
uint8_t buf[]={0x00,0x00,0x80,0x40};
float f=0.0f;
memcpy(&f,buf,4);
而对于大端存储的数据（如HART协议数据 全为大端格式） 其复制的格式仍然为小端格式 所以当数据为小端存储时 要进行大小端转换
如：
uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
memcpy(&dat,buf,4);
float f=0.0f;
swap32(&dat); //大小端转换
f=*((float*)&dat); //地址强转
printf("%f",f);
或：
uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
memcpy(&dat,buf,4);
float f=0.0f;
swap32(&f); //大小端转换
printf("%f",f);
或更优解：
uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
float f=0.0f;
dat=(buf[0]<<24)|(buf[0]<<16)|(buf[0]<<8)|(buf[0]<<0)
f=*((float*)&dat);
总结
固 若数据为小端格式 则可以直接用memcpy函数进行转换 否则通过移位的方式再进行地址强转
对于多位数据 比如同时传两个浮点数 则可以定义结构体之后进行memcpy复制（数据为小端格式）
对于小端数据 直接用memcpy写入即可 若是浮点数 也不用再进行强转
对于大端数据 如果不嫌麻烦 或想使代码更加简洁（但执行效率会降低） 也可以先用memcpy写入结构体之后再调用大小端转换函数 但这里需要注意的是 结构体必须全为无符号整型 浮点型只能在大小端转换写入之后再次强转 若结构体内采用浮点型 则需要强转两次
所以对于大端数据 推荐通过移位的方式来进行赋值 然后再进行个别数的强转 再往通用结构体进行写入
多个不同变量大小的结构体 要主要字节对齐的问题
可以用#pragma pack(1) 使其对齐为1
但会影响效率
大小端转换函数
直接通过对地址的操作来实现 传入的变量为32位的变量
中间变量ptr是传入变量的地址
void swap16(void * p)
{
uint16_t *ptr=p;
uint16_t x = *ptr;
x = (x << 8) | (x >> 8);
*ptr=x;
}
void swap32(void * p)
{
uint32_t *ptr=p;
uint32_t x = *ptr;
x = (x << 16) | (x >> 16);
x = ((x & 0x00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF);
*ptr=x;
}
void swap64(void * p)
{
uint64_t *ptr=p;
uint64_t x = *ptr;
x = (x << 32) | (x >> 32);
x = ((x & 0x0000FFFF0000FFFF) << 16) | ((x >> 16) & 0x0000FFFF0000FFFF);
x = ((x & 0x00FF00FF00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF00FF00FF);
*ptr=x;
}
附录：关于旧文新发
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