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基于至簡設(shè)計(jì)法的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) 明德?lián)P科技教育有限公司 官 網(wǎng)：www.mdy-edu.com 淘 寶：mdy-edu.taobao.com QQ 群：97925396
數(shù)字時(shí)鐘是常見的畢業(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)不動手，要做這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，很多人都會覺得挺難的。收集到的代碼，其風(fēng)格也是五花八門，第一感覺是貌似能看懂，但就是不知道怎么設(shè)計(jì)出來的。 其實(shí)如果有正確的設(shè)計(jì)思路和方法，其實(shí)現(xiàn)起來是非常簡單的。下面我們就核心的數(shù)字模塊為例，講解如何使用至簡設(shè)計(jì)法來實(shí)現(xiàn)。
數(shù)字模塊的功能，是產(chǎn)生6個(gè)信號，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，每個(gè)單獨(dú)來看，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)。其他信號都是相同的規(guī)律。這些依次遞增的信號，就是計(jì)數(shù)器。 我們認(rèn)識到這些信號是計(jì)數(shù)器，那就好辦了，明德?lián)P最擅長就是計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。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)問題后，剩下的就是套用明德?lián)P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。那我們怎么知道1秒鐘時(shí)間到了呢？ FPGA是通過數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)來確定時(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)。我們套用明德?lián)P計(jì)數(shù)器模塊，即有下面代碼。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
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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;
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代碼中，always語句除了名字后，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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
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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;
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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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123
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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
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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。沒錯(cuò)，這就是明德?lián)P設(shè)計(jì)的技巧。我們設(shè)計(jì)的這套模板，基本上可以應(yīng)用于任何場合，任何時(shí)候讀者只考慮兩個(gè)因素就夠了，不會出現(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)。 如果你還未發(fā)現(xiàn)這代碼優(yōu)秀的地方，建議你百度下數(shù)字時(shí)鐘的代碼，好好比一比，特別是好好想想我們的設(shè)計(jì)思路，明德?lián)P是有方法有步驟、可以做到一次性設(shè)計(jì)對，而他們的則是想到哪寫到哪，每次設(shè)計(jì)都不同的想法。每次設(shè)計(jì)都是不同的思想，水平怎么能提高！
明德?lián)P整個(gè)培訓(xùn)周期，都是訓(xùn)練類似于這種固定、專業(yè)的思維方法，無論你遇到多復(fù)雜多前衛(wèi)的項(xiàng)目，都能用這種思維方式來設(shè)計(jì)。
對了，上面代碼中，我們沒有補(bǔ)充信號定義這些。其實(shí)我們認(rèn)為這些信號定義純屬體力勞動，是根本就不需要學(xué)習(xí)的，所以我們就沒列出來。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)鐘代碼就出來了。
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