04-时序逻辑电路设计之计数器——小梅哥FPGA设计思想与验证方法视频教程配套文档

芯航线——普利斯队长精心奉献

实验目的：以计数器为例学会简单的时序逻辑电路设计

实验平台：芯航线FPGA核心板

实验原理：

时序逻辑电路是指电路任何时刻的稳态输出不仅取决于当前的输入，还与前一时刻输入形成的状态有关。这跟组合逻辑电路相反，组合逻辑的输出只会跟目前的输入成一种函数关系。换句话说，时序逻辑拥有储存元件（内存）来存储信息，而组合逻辑则没有。

计数器的核心元件是触发器，基本功能是对脉冲进行计数，其所能记忆脉冲最大的数目称为该计数器的模/值，常用在分频、定时等处。计数器的种类很多，按照计数方式的不同可以分为二进制计数器、十进制计数器以及任意进制计数器，按照触发器的时钟脉冲信号来源可分为同步计数器与异步计数器。按照计数增减可分为加法计数器、减法计数器以及可逆计数器。

此处设计一个计数器，使其使能板载LED每500ms，状态翻转一次。核心板晶振为50MHz，也就是说时钟周期为20ns，这样可以计算得出500ms = 500_000_000ns/20 = 25_000_000；即需要计数器计数25_000_000次，也就是需要一个至少25位的计数器。且每当计数次数达到需要清零并重新计数。

    VerilogHDL之所以被称为硬件电路描述语言，就是因为我们不是在类似C一样进行普通的编程，我们是在编写一个实际的硬件电路，例如02中设计的一个二选一选择器最后就是被综合称为一个真正的选择器。上面提到计数器即为加法器、比较器、寄存器以及选择器构成，如图4-1所示。

图4-1 计数器逻辑电路图

实验内容：

按照02章所讲，建立工程子文件夹后，新建一个以名为counter的工程保存在prj下，并在本工程目录的rtl文件夹下新建verilog file文件在此文件下输入以下内容并以counter.v保存。这里之所以在计数值计数到25'd24_999_999而不是25'd25_000_000是因为计数器是从0开始计数而不是1。这里每当计数器计数到预设的值后就让led取反一次。

module counter(Clk50M,Rst_n,led);

 

input Clk50M;
//系统时钟，50M

input Rst_n;
//全局复位，低电平复位

 

output
reg led;
//led输出

 

reg
[24:0]cnt;
//定义计数器寄存器

 

//计数器计数进程

always@(posedge Clk50M or
negedge Rst_n)

if(Rst_n ==
1'b0)

cnt <=
25'd0;

else
if(cnt ==
25'd24_999_999)

cnt <=
25'd0;

else

cnt <= cnt +
1'b1;

 

//led输出控制进程

always@(posedge Clk50M or
negedge Rst_n)

if(Rst_n ==
1'b0)

led <=
1'b1;

else
if(cnt ==
25'd24_999_999)

led <=
~led;

else

led <= led;

 

endmodule

 

进行分析和综合直至没有错误以及警告。

    为了测试仿真编写测试激励文件，新建counter_tb.v文件并输入以下内容再次进行分析和综合直至没有错误以及警告，保存到testbench文件夹下。这里生成了一个周期为20ns的时钟clk，并且例化了需要测试的counter.v。

`timescale
1ns/1ns

`define clock_period 20

module counter_tb;

reg clk;

reg rst_n;

 

wire led;

 

counter counter0(

.Clk50M(clk),

.Rst_n(rst_n),

.led(led)

);

 

initial clk =
1;

always
#(`clock_period/2) clk =
~clk;

 

initial
begin

rst_n =
1'b0;

#(`clock_period
*200);

rst_n =
1'b1;

#2000000000;

$stop;

end

 

endmodule

 

设置好仿真脚本后进行功能仿真，可以看到如图3-2所示的波形文件，可以看出高低电平变化的时间均是0.5s也就是500ms，得出符合既定的设计要求，至此功能仿真结束。

图3-2 功能仿真波形文件

在进行上述的功能仿真时可以发现需要仿真时间较长，这是由于将计数器的计数值太大，因此可以将counter.v的cnt计数值修改为24_999来减少仿真时间，这时会发现仿真时间大幅度缩短，且图3-3中高低电平变化时间变为500_000ns，相比500ms缩短了1000倍，也可以说明功能仿真正确。

图3-3 缩小计数值后的功能仿真波形

进行全编译后进行门级仿真，可以看到如图3-4所示波形图，在这可以看出由于门电路的延迟高低电平变化时间并不严格等于0.5s。

图3-4 时序仿真波形

现进行分配引脚，此处介绍另一种分配引脚的方式，采用tcl文件。首先在File—New中选中Tcl Script File，新建一个tcl文件。并输入以下内容后以PIN.tcl名称保存到prj文件夹下。此处由于不同批次可能会引脚分配略有不同，请根据对应的引脚表来编写。

图3-5 新建tcl文件

set_location_assignment PIN_E1 -to Clk50M

set_location_assignment PIN_M1 -to Rst_n

 

set_location_assignment PIN_P11 -to led

    然后单击Tools--Tcl Script，弹出图3-7对话框后选中编写好的PIN.tcl文件，点击Open Files编写的内容就会出现在下面的框图中，此时再点击Run会弹出图3-8对话框，提示已经运行完毕。我们这时可以打开Pin planer查看分配好的引脚。

图3-7 设置Tcl脚本

图3-8运行Tcl脚本

图3-9 脚本运行成功

全编译后可以在RTL viewer中可以看到图3-10所示的硬件逻辑电路，也存在前面讲到的加法器、比较器、寄存器以及选择器构成的计数器。下载到开发板中可以看到图3-11现象，LED0以500ms的时间进行闪烁，如果有示波器也可以测量这时候的引脚波形进行观察。

图3-10 RTL viewer

图3-11 实验现象

    至此，就完成了一个基本的时序逻辑，计数器的设计。请以此为基础自行设计使得每个灯以不同的频率闪烁，并进行仿真以及板级验证。