構(gòu)建一個4位二進制計數(shù)器

從今天開始新的一章-時序電路，包括觸發(fā)器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)機等。

今天更新計數(shù)器，這也是FPGA部分非常重要的設(shè)計技巧。

Problem 98-Count15

題目說明

構(gòu)建一個4位二進制計數(shù)器，計數(shù)范圍從0到15（包括0和15），計數(shù)周期為16。同步復(fù)位輸入時，將計數(shù)器重置為0。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousactive-highreset
output[3:0]q);

題目解析

這是一個基本計數(shù)器。同步復(fù)位情況下，復(fù)位不放在敏感列表里。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousactive-highreset
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?'0?;
????????else?if(q?==?4'd15)?q?<=?'0?;
????????else??q?<=?q?+?1?;
????end
????????????

endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 99-Count10

題目說明

構(gòu)建一個十進制計數(shù)器，從0到9（包括0和9）計數(shù)，計數(shù)周期為10。同步復(fù)位輸入時，將計數(shù)器重置為0。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousactive-highreset
output[3:0]q);

題目解析

和上一題類似。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousactive-highreset
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?'0?;
????????else?if(q?==?4'd9)??q?<=?'0?;
????????else????????????????q?<=?q?+?1;
????end
?
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 100-Count1to10

題目說明

做一個十進制計數(shù)器，從1到10（包括1和10）計數(shù)，計數(shù)周期為10。同步復(fù)位輸入時，將計數(shù)器重置為1。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
output[3:0]q);

題目解析

和上一節(jié)一樣，上一節(jié)是從0到9，這題從1到10，計數(shù)結(jié)束條件和重置條件不一樣，其他一樣。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?4'd1;
????????else?if(q?==?4'd10)?q?<=?4'd1;
????????else????????????????q?<=?q?+?1;
????end
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 101-Countslow

題目說明

構(gòu)建一個十進制計數(shù)器，從0到9（包括0和9）計數(shù)，計數(shù)周期為10。同步復(fù)位輸入時，將計數(shù)器重置為0。但是本題是希望該計數(shù)器并不是隨著clk的變化而遞增，而是隨著一個slowena使能信號來控制增加。時序圖如下圖所示：

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputslowena,
inputreset,
output[3:0]q);

題目解析

本題相比于之前的計數(shù)器，不同點在于多了一個enable信號來控制計數(shù)器的增加（這應(yīng)該叫使能同步計數(shù)器（戰(zhàn)術(shù)后仰））。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicslowena,
inputlogicreset,
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?'0?;
????????else?if(slowena?&?q==4'd9)?q?<=?'0?;
????????else?if(slowena?&?q!=4'd9)?q?<=?q?+?1?;
????????else???????????????????????q?<=?q??;
????end
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 102-ece241_2014_q7a

題目說明

根據(jù)以下輸入輸出信號設(shè)計一個計算1～12的計數(shù)器

Reset：同步復(fù)位信號，高復(fù)位，將計數(shù)器復(fù)位為1.

Enable：使能信號高有效

Clk：時鐘上升沿觸發(fā)計數(shù)器工作

Q[3:0]：計數(shù)器輸出

c_enable, c_load, c_d[3:0]：題目中給我們提供了一個4-bit的計數(shù)器，這三個信號是用于該4-bit計數(shù)器的控制信號。

題目提供給我們4-bit計數(shù)器

有enable信號，帶復(fù)位和置位的計數(shù)器，將該計數(shù)器例化至我們的代碼中。

再用一些其他的邏輯門來完成本題

//題目提供的4-bit計數(shù)器代碼
modulecount4(
inputclk,
inputenable,
inputload,
input[3:0]d,
outputreg[3:0]Q
);

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
inputenable,
output[3:0]Q,
outputc_enable,
outputc_load,
output[3:0]c_d
);

題目解析

本題相當于用c_enale、c_load和c_d[3:0]三個控制信號來控制題目中給我們提供的4-bit計數(shù)器，使得該計數(shù)器的技術(shù)范圍改變?yōu)?～12.

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,
inputlogicenable,
outputlogic[3:0]Q,
outputlogicc_enable,
outputlogicc_load,
outputlogic[3:0]c_d
);//

count4u1_count4(clk,c_enable,c_load,c_d,Q);

assignc_enable=enable;
assignc_load=reset|((Q==4'd12)&&enable);
assignc_d=c_load?4'd1:4'd0;

endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 103-ece241_2014_q7b

題目說明

從1000Hz中分離出1Hz的信號，叫做OneHertz。這個主要用作與數(shù)字時鐘中。利用一個模10的BCD計數(shù)器和盡量少的邏輯門來建立一個時鐘分頻器。同時輸出每個BCD計算器的使能信號(c_enable[0]為高位，c_enable[2]為低位)。

題目已經(jīng)給我們提供了BCD計數(shù)器。Enable信號高有效。Reset信號高有效且復(fù)位為0。我們設(shè)計的電路中均要采用1000Hz的時鐘。

modulebcdcount(
inputclk,
inputreset,
inputenable,
outputreg[3:0]Q
);

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
outputOneHertz,
output[2:0]c_enable
);

題目解析

題目已經(jīng)提供了一個模塊，但是是個模10的BCD計數(shù)器，1000Hz提取1Hz，那么需要3個上面的計數(shù)器(1000/10/10/10=1).

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,
outputlogicOneHertz,
outputlogic[2:0]c_enable
);//
wirelogic[3:0]unit,ten,hundred;

assignc_enable={unit==4'd9&&ten==4'd9,unit==4'd9,1'b1};
assignOneHertz=(unit==4'd9&&ten==4'd9&&hundred==4'd9);

bcdcountcounter0(clk,reset,c_enable[0],unit);
bcdcountcounter1(clk,reset,c_enable[1],ten);
bcdcountcounter2(clk,reset,c_enable[2],hundred);

endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 104-Countbcd

題目說明

構(gòu)建一個4位BCD（二進制編碼十進制）計數(shù)器。每個十進制數(shù)字使用4位進行編碼：q[3:0]是一位數(shù)字，q[7:4]是十位數(shù)字，等等。對于ena[3:1]，該信號用來表示個位、十位和百位的進位。時序圖如下圖所示：

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousactive-highreset
output[3:1]ena,
output[15:0]q);

題目解析

這是一個數(shù)字時鐘的一部分。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousactive-highreset
outputlogic[3:1]ena,
outputlogic[15:0]q);

reg[3:0]ones;
reg[3:0]tens;
reg[3:0]hundreds;
reg[3:0]thousands;

always@(posedgeclk)begin
if(reset)ones<=?4'd0;
????????else?if(ones?==?4'd9)???ones?<=?4'd0;
????????else????????????????????ones?<=?ones?+?4'd1?;
????end
????
????always@(posedge?clk)begin
????????if(reset)???????????????tens?<=?4'd0;
????????????
????????else?if(tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)??
????????????????????????????????tens?<=?4'd0;
????????else?if(ones?==?4'd9)???tens?<=?tens?+?4'd1;
????end
????
????always@(posedge?clk)begin
????????if(reset)???????????????hundreds?<=?4'd0;
????????????
????????else?if(hundreds?==?4'd9?&&?tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)
????????????????????????????????hundreds?<=?4'd0;
????????else?if(tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)?
????????????????????????????????hundreds?<=?hundreds?+?4'd1;
????end
????
????always@(posedge?clk)begin
????????if(reset)???????????????thousands?<=?4'd0;
????????else?if(thousands?==?4'd9?&&?hundreds?==?4'd9?&&?tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)
????????????????????????????????thousands?<=?4'd0;
????????else?if(hundreds?==?4'd9?&&?tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)?
????????????????????????????????thousands?<=?thousands?+?4'd1;
????end
????
????assign?q?=?{thousands,?hundreds,?tens,?ones};
????assign?ena[1]?=?(ones?==?4'd9)???1'b1?:?1'b0;
????assign?ena[2]?=?(tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)???1'b1?:?1'b0;
????assign?ena[3]?=?(hundreds?==?4'd9?&&?tens?==?4'd9?&&?ones?==?4'd9)???1'b1?:?1'b0;
?
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 105-Count_clock

題目說明

用計數(shù)器設(shè)計一個帶am/pm的12小時時鐘。該計數(shù)器通過一個CLK進行計時，用ena使能信號來驅(qū)動時鐘的遞增。

reset信號將時鐘復(fù)位為12：00 AM。 信號pm為0代表AM，為1代表PM。hh、mm和ss由兩個BCD計數(shù)器構(gòu)成hours(01~12)， minutes(00~59) , second(00~59)。Reset信號比enable信號有更高的優(yōu)先級，即使沒有enable信號也可以進行復(fù)位操作。

下圖所示的時序圖給出了從1159 AM 到12 :00 : 00 PM的變化。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
inputena,
outputpm,
output[7:0]hh,
output[7:0]mm,
output[7:0]ss);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,
inputlogicena,
outputlogicpm,
outputlogic[7:0]hh,
outputlogic[7:0]mm,
outputlogic[7:0]ss);

//ssvar
varlogic[3:0]ss_one,ss_ten;
varlogicena_ss_one,ena_ss_ten;
varlogicrst_ss_one,rst_ss_ten;

//mmvar
varlogic[3:0]mm_one,mm_ten;
varlogicena_mm_one,ena_mm_ten;
varlogicrst_mm_one,rst_mm_ten;

//hhvar
varlogic[3:0]hh_one,hh_ten;
varlogicena_hh_one,ena_hh_ten;
varlogicrst_hh_one_0,rst_hh_one_1,rst_hh_ten_0,rst_hh_ten_1;

//pmvar
varlogicrev_pm;


//sscoutpart
assignena_ss_one=ena;
assignrst_ss_one=ena_ss_one&&(ss_one==4'd9);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)ss_one<=?'0?;
????????else?if(ena_ss_one)?begin
????????????if(rst_ss_one)??ss_one?<=?'0?;
????????????else????????????ss_one?<=?ss_one?+?4'd1?;
????????end
????end
????
????assign?ena_ss_ten?=?rst_ss_one?;
????assign?rst_ss_ten?=?ena_ss_ten?&&?(ss_ten?==?4'd5)?;
????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)???????????ss_ten?<=?'0?;
????????else?if(ena_ss_ten)?begin
????????????if(rst_ss_ten)??ss_ten?<=?'0?;
????????????else????????????ss_ten?<=?ss_ten?+?4'd1?;
????????end
????end
???
????
????//mm?cout?part
????
????assign?ena_mm_one?=?rst_ss_ten?;
????assign?rst_mm_one?=?ena_mm_one?&&?(mm_one?==?4'd9)?;
???????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)???????????mm_one?<=?'0?;
????????else?if(ena_mm_one)?begin
????????????if(rst_mm_one)??mm_one?<=?'0?;
????????????else????????????mm_one?<=?mm_one?+?4'd1?;
????????end
????end?
????
????
????assign?ena_mm_ten?=?rst_mm_one?;
????assign?rst_mm_ten?=?ena_mm_ten?&&?(mm_ten?==?4'd5)?;
????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)???????????mm_ten?<=?'0?;
????????else?if(ena_mm_ten)?begin
????????????if(rst_mm_ten)??mm_ten?<=?'0?;
????????????else????????????mm_ten?<=?mm_ten?+?4'd1?;
????????end
????end
????
????//hh?cout?part
????
????assign?ena_hh_one?=?rst_mm_ten?;
????assign?rst_hh_one_0?=?ena_hh_one?&&?(hh_one?==?4'd9)?;
????assign?rst_hh_one_1?=?ena_hh_one?&&?(hh_one?==?4'd2?&&?hh_ten?==?4'd1)?;
????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)?????????????hh_one?<=?4'd2?;
????????else?if(ena_hh_one)?begin
????????????if(rst_hh_one_0)??hh_one?<=?4'd0?;
????????????else?if(rst_hh_one_1)???????????
??????????????????????????????hh_one?<=?4'd1?;
????????????else??????????????hh_one?<=?hh_one?+?4'd1?;
????????end
????end?
????
????
????assign?ena_hh_ten?=?ena_hh_one?;
????assign?rst_hh_ten_0?=?ena_hh_ten?&&?(hh_one?==?4'd2?&&?hh_ten?==?4'd1)?;
????assign?rst_hh_ten_1?=?ena_hh_ten?&&?(hh_one?==?4'd9)?;
????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)?????????????hh_ten?<=?4'd1?;
????????else?if(ena_hh_ten)?begin
????????????if(rst_hh_ten_0)??hh_ten?<=?4'd0?;
????????????else?if(rst_hh_ten_1)????????????
??????????????????????????????hh_ten?<=?4'd1?;
????????end
????end
????
????
????//pm?display?part
????
????assign?rev_pm?=?(hh_ten?==?4'd1)?&&?(hh_one?==?4'd1)?&&?ena_hh_one?;
????
????always_ff@(posedge?clk)?begin
????????if(reset)???????pm?<=?'0??;
????????else?if(rev_pm)?pm?<=?~pm?;
????end
????

????//assign?time?output
????
????assign?ss?=?{ss_ten,ss_one}?;
????assign?mm?=?{mm_ten,mm_one}?;
????assign?hh?=?{hh_ten,hh_one}?;
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

總結(jié)

今天的幾道題就結(jié)束了，對于計數(shù)器的設(shè)計真的需要掌握，不僅是時序電路的基礎(chǔ)，同時在后續(xù)FPGA設(shè)計也是一個重要的設(shè)計技巧。

最后我這邊做題的代碼也是個人理解使用，有錯誤歡迎大家批評指正，祝大家學(xué)習(xí)愉快~

審核編輯：劉清