【FPGA】Verilog：时序电路设计 | 二进制计数器 | 计数器 | 分频器

前言：本章内容主要是演示Vivado下利用Verilog语言进行电路设计、仿真、综合和下载

示例：计数器与分频器

功能特性：采用 Xilinx Artix-7 XC7A35T芯片
配置方式：USB-JTAG/SPI Flash
高达100MHz 的内部时钟速度
存储器：2Mbit SRAM N25Q064A SPI Flash（样图旧款为N25Q032A）
通用IO：Switch ：x8LED：x16Button：x5DIP：x8 通用扩展IO：32pin
音视频/显示： 7段数码管：x8 VGA视频输出接口 Audio音频接口
通信接口：UART：USB转UART Bluetooth：蓝牙模块
模拟接口： DAC：8-bit分辨率 XADC：2路12bit 1Msps ADC

Ⅰ. 前置知识

0x00 二进制计数器

0x01 利用IP核构造计数器

Ⅱ. Verilog实现

0x00 分频器

0x01 时序约束

Ⅰ. 前置知识

0x00 二进制计数器

一个简单的二进制计数器通过二进制序列反复循环实现计数。以两位加法计数为例，每次时钟脉冲信号clk 为上升沿时，计数器会将计数值加1。所以计数值（由Q1Q0组成），依次是 00，01，10，11，00，11…，周而复始。在图中的波形图里，透露了这样几个信息：

[i] 一个两bit计数器，它所能计数的范围是 0~3（即22-1）。同理，n bits的计数器所能计数的范围是0~2n-1。

[ii] 如果将Q0、Q1作为单独信号线引出，由Q0、Q1得到的波形频率是时钟脉冲信号clk的1/2、1/4，亦即是将时钟脉冲信号的clk频率除2、除4。因此图示计数器又常被称为除4计数器。

[iii] 由上讨论推广可知，n bits计数器可获得的信号之多是频率除2n的结果。

参考如下源程序，试分析其分频系数：

module addcounter(clk,Q) ;
input clk ;
output[1:0] Q ;
reg[1:0] Q ;
always @(posedge clk)begin
Q<=Q+1 ;
end
endmodule

module counter3(clr,clk,Q)
input wire clr; input wire clk;
output reg[2:0] Q;
input wire [2:0] D;
assign D[2] = ~Q[2] & Q[1] & Q[0] | Q[2] & ~Q[1] | Q[2] & ~Q[0]
assign D[1] = ~Q[1] & Q[0] | Q[1] & ~Q[0]
assign D[0] = ~Q[0]
always @ (posedge clk or posedge clr) beginif(clr==1)  Q<=0;else   Q <=D
end
endmodule

通用型的二进制计数器一般具备更多功能，例如可以增/减计数、预置初值、同步清零、暂停等。74LS161就是一种常用的可预置4位二进制同步加法计数器。其功能表如下图表：

输入

输出

Ⅹ

↑

Ⅹ

计数

Ⅹ

保持

Ⅹ

保持

0x01 利用IP核构造计数器

（1）根据上述74LS161的原理和参考代码，在vivado中设计计数电路：

module CNT161( input CR, input CP, input [3:0] D , input LD, input EP, input ET, output wire [3:0] Q);
wire [3:0] Din;
reg [3:0] Dout;
assign Din=D;
assign Q=Dout；
always@(posedge CP or negedge CR)  begin
if (CR==0)  Dout<=0;
else if  (LD==0)  Dout<=Din;
else if  (LD==1 && EP==0 && ET==0)  Dout<=Dout;
else if  (LD==1 && EP==0 && ET==1)  Dout<=Dout;
else if  (LD==1 && EP==1 && ET==0)  Dout<=Dout;
else if  (LD==1 && EP==1 && ET==1)  Dout<=Dout+1;
end
endmodule

（2）实验板时钟为100MHZ，利用计数器构造分频输出1H：

module slowClock(clk, reset, clk_1Hz);
input clk, reset;
output clk_1Hz;
reg clk_1Hz = 1'b0;  // provide initial condition for this register.
reg [27:0] counter;
// counter size calculation according to input and output frequencies
parameter sys_clk = 100000000;  // 50 MHz system clock
parameter clk_out = 1;  // 1 Hz clock output
parameter max = sys_clk / (2*clk_out); // max-counter size
always@(posedge reset or posedge clk)  beginif (reset == 1'b1)  beginclk_1Hz <= 0;counter <= 0;endelse  begincounter <= counter + 1;if ( counter == max)  begincounter <= 0;clk_1Hz <= ~clk_1Hz;endend
end
endmodule

Ⅱ. Verilog实现

0x00 分频器

设计代码：


module slowClock(clk, reset,Q);input clk, reset;output [3:0] Q;reg [3:0] Q = 4'b0000;// provide initial condition for this register.reg [27:0] counter;// counter size calculation according to input and output frequencies
parameter sys_clk = 1;
parameter clk_out = 1;
parameter max = sys_clk / (2*clk_out); // max-counter sizealways@(posedge reset or posedge clk)  beginif (reset == 1'b1)  beginQ <= 0;counter <= 0;endelse  begincounter <= counter + 1;if (counter == max)  begincounter <= 0;Q<=Q+4'b0001;endendend
endmodule

❗ 注：

parameter sys_clk = 1;
parameter clk_out = 1;
parameter max = sys_clk / (2*clk_out); // max-counter size

是根据EGO1板子的频率编写的，不同的板子可用设置不同的分频

仿真代码：

module sim_slowClock();reg clk ,reset;wire [3:0] Q;slowClock test(.clk(clk),.reset(reset),.Q(Q));initial clk=0;initial reset=1;always begin#10;clk=~clk;reset=0;end
endmodule

在Vivado中点击”RTL ANALYSIS->Open Elaborated Design”，可以查看综合得到的逻辑电路，如图所示：

仿真代码：

从图中可以看出上升沿有效且为异步电路；
reset高电平有效，一开始为1，进行置数，置为0000；
从波形图可以看出为十六分频；

0x01 时序约束

由于需要时钟信号，所以还要进行时序约束。

【a】选择在Flow Navigator 中选择Synthesis > Synthesized Design > Edit Timing Constraints。

【b】打开时序约束界面，开始进行时序约束。

【c】双击左边Clock->Create Clock,进入Create Clock界面，在Clock name中输入clk_pin。在Source objects中选择右边的按钮。

【d】在Specify Clock Source Object中Find names of type选择I/O Ports后点击Find，并将查找到的cp选中，如图：

完成选择后点击Set。对话框切换至如图：

点击ok完成时钟创建，结果参考下图：

【e】设置Input Setup Delay ，双击左边Input->Input Setup Delay，如图：

进入Set Input Delay，按照下图配置：Clock选择clk_pin，Objects选择rst，Delay选择0 ns。完成设置后点击OK。

【f】接下来将设置Delay value specifies <min/max> delay，双击左边Input->Input Setup Delay。

将Clock选择为clk_pin、Objects选择rst、Delays value选择-0.5 ns、并选中Delay value specifies,

Delay设置成min。完成设置后点击ok。

【g】接下来设置Output Delay，双击左边Output->Set Output Delay。Clock选择clk_pin、Objects选择所有输出，Delay value设置为0ns。

【h】完成以上约束后可以在All Constraints看到如下约束结果。选择File->Save Constraints将设置的约束保存。

这时候如果打开Sources界面中的constraints，就可以看到XDC文件中增加了约束条件。

【i】在Flow Navigator中选择Synthesized Design ->Report Timing Summary。并将Options标签里将Path delay type设置成min_max。

再次综合后查看时序报告，如果在报告中看到有地方显示了红色，说明时序约束后，需求没有满足。然后在进行Implementation的时候，Vivado会自动优化布线路径，来满足用户设定的约束时间。如果在Implementation中还是显示无法满足，则需要分析电路进行进一步约束。