使用至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

數(shù)字時(shí)鐘是常見(jiàn)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用數(shù)碼管來(lái)顯示數(shù)字。小時(shí)、分鐘和秒鐘各兩位數(shù)字，所以需要用到6位的數(shù)碼管。

如果平時(shí)不動(dòng)手，要做這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，很多人都會(huì)覺(jué)得挺難的。收集到的代碼，其風(fēng)格也是五花八門，第一感覺(jué)是貌似能看懂，但就是不知道怎么設(shè)計(jì)出來(lái)的。

其實(shí)如果有正確的設(shè)計(jì)思路和方法，其實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常簡(jiǎn)單的。下面我們就核心的數(shù)字模塊為例，講解如何使用至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字模塊的功能，是產(chǎn)生6個(gè)信號(hào)，分別表示時(shí)十位、時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè)位、秒十位和秒個(gè)位的值。例如上述信號(hào)值依次為2、1、4、3、5、9時(shí)，則表示時(shí)間為21點(diǎn)43分59秒。

仔細(xì)觀察6個(gè)信號(hào)，每個(gè)單獨(dú)來(lái)看，其數(shù)字都是遞增的，增加到一定數(shù)后就清零。以秒個(gè)位為例，開(kāi)始時(shí)值為0，然后是1、2、3依次增加，直到變成9后，然后變成0，再次循環(huán)。其他信號(hào)都是相同的規(guī)律。這些依次遞增的信號(hào)，就是計(jì)數(shù)器。

我們認(rèn)識(shí)到這些信號(hào)是計(jì)數(shù)器，那就好辦了。計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)只需要考慮兩點(diǎn)，什么時(shí)候加1和要數(shù)多少個(gè)，明確這兩個(gè)問(wèn)題后，剩下的就是套用計(jì)數(shù)器模板了。

以秒個(gè)位這個(gè)計(jì)數(shù)器為例，這個(gè)計(jì)數(shù)器加1的條件是什么呢？到了1秒就加1。那我們?cè)趺粗?秒鐘時(shí)間到了呢？FPGA是通過(guò)數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)確定時(shí)間的。例如下圖，假設(shè)時(shí)鐘頻率是50MHz，即時(shí)鐘周期是20ns，cnt是每個(gè)時(shí)鐘加1，則當(dāng)cnt==99時(shí)，就說(shuō)明數(shù)了100個(gè)時(shí)鐘周期，也就是時(shí)間是100*20=2000ns了。

同樣的道理，1秒鐘時(shí)間，我們就是數(shù)1s/20ns= 50_000_000個(gè)時(shí)鐘周期。我們也認(rèn)識(shí)到這個(gè)cnt也是計(jì)數(shù)器，其加1條件是“1”，要數(shù)50_000_000個(gè)數(shù)。我們套用計(jì)數(shù)器模塊，即有下面代碼。

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（！rst_n）begin

cnt 《= 0;

end

else if（add_cnt）begin

if（end_cnt）

cnt 《= 0;

else

cnt 《= cnt + 1;

end

end

assign add_cnt = 1 ;

assign end_cnt = add_cnt && cnt== 50_000_000-1;

代碼中，always語(yǔ)句除了名字后，完全套用模板，不用更改。加1條件體現(xiàn)在第13行，要數(shù)多少個(gè)體現(xiàn)在第14行。

確定了cnt后，那么秒個(gè)位的加1條件就非常明確了，就是cnt數(shù)到50_000_000個(gè)，也就是end_cnt有效的時(shí)候。所以秒個(gè)位的加1條件是end_cnt。

秒個(gè)位要數(shù)多少個(gè)數(shù)字呢？由0到9，因此有10個(gè)。

綜上所述，我們得到秒個(gè)位的代碼如下表。

always@（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1‘b0）begin

miao_g 《= 0;

end

else if（add_miao_g）begin

if（end_miao_g）

miao_g 《= 0;

else

miao_g 《= miao_g + 1;

end

end

assign add_miao_g = end_cnt;

assign end_miao_g = add_miao_g && miao_g == 10-1;

用類似于秒個(gè)位的思考方法，我們可以得到秒十位、分個(gè)位、分十位、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位的代碼，完整的代碼如下表。

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（！rst_n）begin

cnt 《= 0;

end

else if（add_cnt）begin

if（end_cnt）

cnt 《= 0;

else

cnt 《= cnt + 1;

end

end

assign add_cnt = 1 ;

assign end_cnt = add_cnt && cnt== 50_000_000-1;

always@（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1’b0）begin

miao_g 《= 0;

end

else if（add_miao_g）begin

if（end_miao_g）begin

miao_g 《= 0;

end

else begin

miao_g 《= miao_g + 1;

end

end

end

assign add_miao_g = end_cnt;

assign end_miao_g = add_miao_g && miao_g == 10-1;

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1‘b0）begin

miao_s 《= 0;

end

else if（add_miao_s）begin

if（end_miao_s）begin

miao_s 《= 0;

end

else begin

miao_s 《= miao_s + 1;

end

end

end

assign add_miao_s = end_miao_g;

assign end_miao_s = add_miao_s && miao_s == 6-1;

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1’b0）begin

fen_g 《= 0;

end

else if（add_fen_g）begin

if（end_fen_g）begin

fen_g 《= 0;

end

else begin

fen_g 《= fen_g + 1;

end

end

end

assign add_fen_g = end_miao_s;

assign end_fen_g = add_fen_g && fen_g == 10-1;

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1‘b0）begin

fen_s 《= 0;

end

else if（add_fen_s）begin

if（end_fen_s）begin

fen_s 《= 0;

end

else begin

fen_s 《= fen_s + 1;

end

end

end

assign add_fen_s = end_fen_g;

assign end_fen_s = add_fen_s && fen_s == 6-1;

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1’b0）begin

shi_g 《= 0;

end

else if（add_shi_g）begin

if（end_shi_g）begin

shi_g 《= 0;

end

else begin

shi_g 《= shi_g + 1;

end

end

end

assign add_shi_g = end_fen_s;

assign end_shi_g = add_shi_g && shi_g ==x-1;

always @（posedge clk or negedge rst_n）begin

if（rst_n==1‘b0）begin

shi_s 《= 0;

end

else if（add_shi_s）begin

if（end_shi_s）begin

shi_s 《= 0;

end

else begin

shi_s 《= shi_s + 1;

end

end

end

assign add_shi_s = end_shi_g;

assign end_shi_s = add_shi_s && shi_s == 3-1;

always@（*）begin

if（shi_s==2）

x =4;

else

x =10;

end

細(xì)心的讀者可以發(fā)現(xiàn)，上面每段計(jì)數(shù)器格式都非常相似。沒(méi)錯(cuò)，這就是技巧。我們?cè)O(shè)計(jì)的這套模板，基本上可以應(yīng)用于任何場(chǎng)合，任何時(shí)候讀者只考慮兩個(gè)因素就夠了，不會(huì)出現(xiàn)丟三落四的情況，而且每次只需要考慮一個(gè)因素，保證能做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

對(duì)了，上面代碼中，我們沒(méi)有補(bǔ)充信號(hào)定義這些。其實(shí)我們認(rèn)為這些信號(hào)定義純屬體力勞動(dòng)，是根本就不需要學(xué)習(xí)的，所以我們就沒(méi)列出來(lái)。讀者有興趣可必補(bǔ)充。另外加上數(shù)碼管譯碼電路，那么一個(gè)完整的數(shù)字時(shí)鐘代碼就出來(lái)了。