數電基礎

關于時序邏輯設計的部分依然強烈推薦mooc上華科的數字電路與邏輯設計。

計數器可以分為同步和異步計數器，2進制、10進制和任意進制計數器，加法和減法計數器。同步和異步是指觸發器是否都由同一個時鐘信號控制。一個觸發器能存儲1位二進制數，所以由N個觸發器構成N位寄存器。例如3個JK觸發器可以存儲000-111種狀態。在數電的原理方面，mooc上講解的很清晰，可以自行學習同步或異步的二進制寄存器、使用復位清零和反饋置數將M進制構成N進制（N

設計規劃

本例將采用一個外部時鐘信號，一個復位鍵和一個LED燈來實現1s內LED閃爍（亮0.5s滅0.5s）。這種計時的功能在FPGA中是通過計數器完成的： 經歷一個時鐘周期，計數器+1 ，我們只需要計算出計數截止的值，就可以完成計時。由于采用的50MHz時鐘頻率，也就是1s產生510e7個時鐘。那么亮滅0.5s就是需要計2.510e7個數。計數器從0-24999999，2^24<24999999<2^25，因此需要25個觸發器，即25位寄存器。這個計數過程是：復位鍵生效時計數器歸零，釋放后的第一個時鐘上升沿開始計數，從0計到2499999時LED燈改變狀態，計數器歸零重新開始計數，到2499999時LED燈改變狀態...

編寫代碼

module counter
#(
parameter CNT_MAX = 25'd24_999_999
 )
 (
 input wire sys_clk , //系統時鐘50MHz
 input wire sys_rst_n , //全局復位
 output reg led_out 
 );


 reg [24:0] cnt; //經計算得需要25位寬的寄存器才夠500ms


 //cnt:計數器計數，當計數到CNT_MAX的值時清零
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt <= 25'b0;
 else if(cnt == CNT_MAX)
 cnt <= 25'b0;
 else
 cnt <= cnt + 1'b1;


 //led_out:輸出控制一個LED燈，每當計數滿標志信號有效時取反
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 led_out <= 1'b0;
 else if(cnt == CNT_MAX)
 led_out <= ~led_out;
 endmodule

代碼注釋：與#define 標識符 常量類似，這里使用參數的方式定義常量。在RTL代碼中實例化該模塊時，如果需要兩個不同計數值的計數器，只需要修改常數值。使用testbench仿真時也需要實例化，0.5s才能看到led_out的變化，仿真時間過長。如果我們直接修改參數縮短時間就能看到效果。parameter定義的是局部參數，只在本模塊中有效，不會影響實際值。

我們觀察cnt和led_out的變化條件：計數器發生改變的條件有兩個，一個是時鐘上升沿，一個是復位有效（復位下降沿）。計數器發生的改變有兩個，要么+1要么清零。清零條件有兩個：復位和溢出。因此第一個always塊中有三個判斷條件：復位和溢出時清零，其他的時候+1。

led_out的變化條件：時鐘上升沿和復位有效（復位下降沿）。LED燈狀態的變化有兩個，當復位時LED燈為低電平，溢出時取反。

編寫testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_counter();


//reg define
reg sys_clk;
reg sys_rst_n;


//wire define
wire led_out;


 //初始化輸入信號
 initial begin
 sys_clk = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #20
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end


 //sys_clk:每10ns電平翻轉一次，產生一個50MHz的時鐘信號
 always #10 sys_clk = ~sys_clk;


 //---------------------flip_flop_inst----------------------
 counter
 #(
 .CNT_MAX (25'd24 ) 
 )
 counter_inst(
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .led_out (led_out ) 
 );


 endmodule

初始化：時鐘高電平，復位低電平，20s延遲后復位高電平。

實例化：此處的參數只對該模塊有效，想要改變這個模塊里的參數數值，只需要在這里改變即可。這里設置成24是為了方便觀察，節省時間。

對比波形

24個時鐘脈沖輸出就會取反，同理trl文件中24999999個脈沖（0.5s）之后LED燈會改變狀態，實現1s內閃爍。

分配管腳

全編譯后上板驗證

LED燈在1s內閃爍，且S1一直按LED燈會一直亮（S1按下去為低電平，復位有效，led_out=0，LED燈亮，和預期一致。