設計一個計數器來講解時序邏輯

一、時序邏輯

時序邏輯是Verilog HDL 設計中另一類重要應用。從電路特征上看來，其特點為任意時刻的輸出不僅取決于該時刻的輸入，而且還和電路原來的狀態有關。

從電路行為上講，不管輸入如何變化，僅當時鐘的沿（上升沿或下降沿）到達時，才有可能使輸出發生變化。

1、在描述時序電路的always塊中的reg型信號都會被綜合成寄存器，這是和組合邏輯電路所不同的。
2、時序邏輯中推薦使用非阻塞賦值“<=”。

3、時序邏輯的敏感信號列表只需要加入所用的時鐘觸發沿即可，其余所有的輸入和條件判斷信號都不用加入，這是因為時序邏輯是通過時鐘信號的跳變沿來控制的。

二、時序邏輯在FPGA里RTL實現

我們寫一個簡單的寄存器，看看fpga是怎樣實現時序邏輯的

module  counter(
    input           a,
    input               clk,
     
    output  reg     q
);
 
    always@(posedge clk)begin
        q <= a;
    end
 
endmodule

我們看一下fpga的芯片規劃器

從芯片規劃器，可以看出來幾個細節。

1、我們用了一個查找表、一個寄存器。對FPGA來說，這個寄存器你就算不使用他也是在那里的

2、我么的輸出信號是與clk同步的，必須要等到clk的上升沿到來是，輸出才會更新，因此就實現了寄存器的功能

三、同步復位、異步復位

1、同步復位：其實就是你的操作和時鐘的上升沿同步

舉個例子，你要將q設置為0，下面這代碼就是同步復位，q <= 0，是在時鐘上升沿到來時執行的，所以是同步復位

module  counter(
    input           a,
    input               clk,
     
    output  reg     q
);
 
    always@(posedge clk)begin
        q <= 0;
    end
 
endmodule

2、異步復位：其實就是你的操作和時鐘沒有關系

舉個例子，你要將q設置為0，下面這代碼就是異步復位，q <= 0，無論時鐘是什么狀態，只有rst_n到來就執行清零

module  counter(
    input                   a,
    input                       clk,
    input                       rst_n,
    output  reg [7:0]   q
);
 
    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)
            q <= 0;
        else   
            q <= q + 1'b1;
    end
endmodule

四、競爭冒險

競爭冒險：意思是，在我時鐘的上升沿進行采樣時，輸入信號處于不穩定狀態，這個會給電路帶來亞穩態的問題

為了解決競爭冒險，我們只要滿足信號的建立時間和保持時間即可

五、verilog語法補充

1、parameter 定義全局變量

parameter   T =     26'd49_000_000;

2、defparam重新定義參數，這個主要是在仿真腳本修改例化的模塊的內部參數

defparam counter_inst.T = 26'd49;
 
counter counter_inst(
.clk        (clk),
.rst_n  (rst_n),   
.flag       (flag)

六、計數器設計

設計一個1秒的計數器，當時間到一秒后給出一個flag信號

1、代碼實現 verilog.v

module  counter(
    input               clk,
    input               rst_n,
    output  reg     flag
);
 
    reg [25:0] count;
     
    parameter   T =     26'd49_000_000;
     
    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            flag <= 1'b0;
            count <= 0;
            end
        else    if(count == T)begin
                flag <= 1'b1;
                count <= 0;
            end
        else
            begin
                count <= count + 1'b1;
                flag <= 1'b0;
            end
    end
 
endmodule

2、仿真腳本

我在仿真腳本將時間參數改為T改為 T=26‘d49；方便仿真

`timescale 1ns/1ps
 
 
module counter_tb;
 
    reg             clk;
    reg             rst_n;
    wire                flag;
     
    defparam counter_inst.T = 26'd49;
     
    counter counter_inst(
    .clk        (clk),
    .rst_n  (rst_n),   
    .flag       (flag)
);
 
    always #10 clk = ~clk;
 
    initial begin
        clk = 0;
        rst_n = 0;
        #20;
        rst_n = 1;
        #5000000;
        $stop;
    end
 
endmodule

3、仿真結果

1、可以看出脈沖flag只持續了一個周期

2、可以看出脈沖的觸發是50個計數值

七、計數器里隱藏的加法器問題

我們設計的這個計數器，里面其實用了一個加法器，加法器是組合邏輯（因為組合邏輯只取決于輸入）

當我們給加法器一個初值0的時候，加法器的輸出立即就輸出1，這就是仿真的時候，開始復位拉高后，count在第一個clk上升沿就為1的原因

審核編輯：劉清