使用Verilog语言描述计数器——脉动计数器。

内容说明：

本次设计的计数器属于脉动计数器。使用Verilog语言设计，并且设计方法采用模块设计和简单的行为级设计。会有这两种设计的对比测试。最后，会有对这次设计计数器过程中的一些小心得。

计数器

什么是计数器？

计数是一种最简单基本的运算。计数器就是实现这种运算的逻辑电路。计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能。（百度）

自己对计数器的理解。

计数器就是一个简简单单具有计数功能的模块（module）。不过，这个原理简单的计数模块在芯片和计算机中却是不可或缺的部分。计数器虽然是对脉冲个数进行计数，但是如果把脉冲个数进行某种运算，而且这种运算可以具有某种含义，那么“计数”便可以统计“某种关键量”的次数（数量）。

计数器分类：

按照触发条件：同步计数器和异步计数器。
按照功能：加法计数器、减法计数器，移位计数器、可以记录固定数值的计数器。
本次设计的脉动计数器属于减法计数器。

脉动计数器

脉动计数器是由4个T触发器组成的计数模块。具体逻辑图如图1

图1：脉动计数器逻辑图

设计思想：

这次设计给出了电路的逻辑图。在这个图中，我们可以看出需要调用4个T触发器，用时钟信号和复位信号把4个T触发器连接起来，4个T触发器的输出组成了最终的输出结果。需要先设计出T触发器，一个T触发器是由一个D触发器和一个非门构成，而D触发器之前设计过。这样设计逻辑就很简单了，先设计D触发器，之后和非门组成T触发器，最后构成脉动计数器。
这次的设计方面继续采用模块化设计。

设计代码：

D触发器设计代码：
这个D触发器功能比较完善，具有复位、置数功能。

module dff (clk,rst,load,d,q);
input   clk,rst,load;
input   d;
output  q;
reg q;always @ (posedge clk or negedge rst or negedge load)if(!rst)q<=0;else if (!load)q<=1;elseq<=d;endmodule

T触发器设计代码：

module   tff (clk,rst,q);
input   clk,rst;
output  q;
//wire  a;
//not (a,q);
//dff u1 (clk,rst,1'b1,a,q);
dff u1 (clk,rst,1'b1,~q,q);endmodule

T触发器设计时，可以有两种想法。一种是如同注释一样，调用一个非门；另一种是在模块调用总直接取非。两种各自选取。
注：在dff u1 (clk,rst,1'b1,~q,q);中，1'b1不可偷懒写成1。因为，前者代表1位二进制的1；后者代表十进制的1，具体几位看自己的计算机，一般是32位。在赋值的时候，有时会忽略数字的位数和进制，这样只要你自己可以理解不出错误，都可以（开心就好）。但是模块调用是“很严肃”的事情，这样“无所谓”会让模块调用（实例化）出现问题。

顶层模块设计代码：

module counter (clk,rst,q);
input       clk,rst;
output  [3:0]   q;
tff u1 (.clk(clk),.rst(rst),.q(q[0]));
tff u2 (.clk(q[0]),.rst(rst),.q(q[1]));
tff u3 (.clk(q[1]),.rst(rst),.q(q[2]));
tff u4 (.clk(q[2]),.rst(rst),.q(q[3]));
endmodule

在使用模块设计之后，使用行为级编写一个简单的计数器，功能和上面设计的脉动计数器一样。不过，代码长度和难度完全不一样。
代码如下：

module counter_1 (clk,rst,q);
input       clk,rst;
output  [3:0]   q;
reg [3:0]   q;
always @ (posedge clk or negedge rst)
beginif(!rst)q<=0;elseq<=q-1;
end
endmodule

测试代码：

module counter_tb;
reg     clk,rst;
wire    [3:0]   q1,q2;
counter   t1 (clk,rst,q1);
counter_1 t2 (clk,rst,q2);
initial
beginclk=0;rst=0;
#10 rst=1;
#50 rst=0;
#10 rst=1;
#200    rst=0;
#10 $stop;
#10 $finish;
endalways   #6 clk=~clk;endmodule

运行结果：

两中不同设计方法的计数器测试结果如图2所示。
十进制输出结果如图3所示。
异步复位部分如图4所示。

图2：两中不同设计方法的计数器测试结果
注：图上显示的数值是把二进制转换为了无符号的数值。就是输出没有负数。但是如果改变输出数值的格式，比如改成十进制，结果如图3所示。

图3：十进制输出结果
对于为什么会有-8后面是7这个现象的解释。

可以这样理解，0000减1，但是减不了。向“远方”借1，最后变成了1111。这种理解方式只是让你“强行”明白减法。这里的标准回答是补码，十进制中的4位二进制数中规定最高一位是标志位。“1”表示负数；“0”表示正数。有关补码的知识之后再说。
这样也可以解释（-8）的下一位为什么是（7）。

图4：异步复位部分
可以看出异步复位不需要等待时钟的到来，就可以把输出结果复位（置零）。但是新的输出的出现需要等待时钟。

总结

本次主要介绍计数器和如何使用Verilog编写一个计数器。两种设计方法的区别，使用分模块（复杂）设计可以控制模块内部功能，自主性强一些，通过修改内部代码可以实现功能的“微调”；但是编写代码难度加大，对设计者素质要求高。使用行为级（容易）设计最大的优点简单、方便；同时缺点无法做到“窥看”内部。

预告

其他计数器的设计。计数器也有新花样。

感想

不入其行，不知其难。
入了其行，方知世界之大！！！