FPGA前瞻篇-计数器设计与实现实例

这是本篇文章的设计目标如下所示：

这个 Counter 模块是一个LED 闪烁计数器 ，设计目标是：
当输入时钟 clk 为 50 MHz 时，每 0.5 秒翻转一次 LED 灯状态。

随后我们开始补充理论知识。
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。下面我们以一个 3 位计数器来学习下计数器的基本组成和相关知识，首先我们画出 3 位计数器的电路结构图。

我们以 F1 、 F2 、 F3 代表 3 个 D 触发器，两个异或门 G1 、 G2 和 1 个与门 G3 来进行说明计数器是如何工作的。一般触发器是有复位信号（图中没有画出），在上电复位之后，电路上电的 Q0 Q1 Q2 初始状态是 000，下面我们来看下这三个D 触发器此时的输入信号是什么。
我们先看 F1 ， F1 的输入信号 D ，是由 Q0 反馈回来的，我们已知此时的 Q 是 0 ，那么 ` Q 就是 1 ，这个 1 反馈给 F1 输入信号 D ，此时 F1 的输入信号就是 1 。
下面我们再来看 F2 ， F2 的输入信号是 Q0 和 Q1 的值经过一个异或门之后得到的，我们已知此时的 Q0 是 0 ， Q1 也是 0 ，那么这两个 0 经过异或门逻辑处理（异或门两个输入信号值相同输出 0 ，不同输出 1 ）后就是 0 了，因此 F2 的输入信号也是 0 。
再看 F3，F3 的输入信号是由 Q0 和 Q1 经过一个与门之后的输出值，与 Q2 的值相异或得到的，我们来看，Q0 和 Q1 都是 0，两个 0 相与，输出肯定还是 0，这个输出的 0，再与 Q2 的值相异或，根据异或门的规律，两个输入现在都是 0，那么异或门的输出也是 0，F3 的输入此时就是 0。
到这里，我们已经分析出了 F1 、 F2 和 F3 这三个触发器此时的输入值了，下面我们就可以根据 D 触发器的逻辑规律知道下一刻电路的输出值了，现在我们给 CLK 端口一个上升沿，也就是 CLK 由 0 变为 1 了，那么 3 个边沿 D 触发器将会同时触发，当 CLK 这个时钟信号的上升沿到来时， D 触发器的输入值将会被锁存，根据逻辑规律，下一刻 3 个 D 触发器的输出值就分别为 1 ， 0 ， 0 。这里如果我们把 Q2 的值当
做二进制数的最高位，把 Q0 的值当做二进制数的最低位，那么现在计数器所输出的值，就是二进制数 001，也就是十进制的 1 。计数器接收到第一个时钟信号的上升沿后，计数器就输出二进制数 001 ，依次类推，如果第二个时钟信号的上升沿到来时，这个时候计数器将会输出二进制数 010 ，也就是十进制数 2 ， 每当电路多到来一个时钟上升沿，计数器就会作加 1 运算。当电路计到第 8 个脉冲时，电路状态将由 111 又变为 000 ，完成一个循环周期，所以该电路也称为模 8 同步加法计数器。所谓同步就是指该电路中的四个边沿型 D 触发器共用一个时钟脉冲 CLK ，当时钟上升沿到来时，它们能够同时触发。

时钟沿数	Q2	Q1	Q0	二进制值	F3_D输入	F2_D输入	F1_D输入
初始	0	0	0	000	0	0	1
↑1	0	0	1	001	0	1	0
↑2	0	1	0	010	0	1	1
↑3	0	1	1	011	1	0	0
↑4	1	0	0	100	0	1	1
↑5	1	0	1	101	1	1	0
↑6	1	1	0	110	1	0	1
↑7	1	1	1	111	0	0	0
↑8	0	0	0	000	0	0	1
...	...	...	...	...	...	...	...

Q0, Q1, Q2 分别是 F1, F2, F3 的输出；

F1_D输入 = ~Q0，即直接来自 Q0 的反向；

F2_D输入 = Q0 ^ Q1；

F3_D输入 = (Q0 & Q1) ^ Q2。

接下来就是程序设计了，如下所示：

信号名	类型	说明
clk	input	时钟信号（假设为50 MHz）
rst_n	input	异步低电平复位信号
led	output reg	控制LED状态，高亮或熄灭

这个 Testbench 的目标是：

给 Counter 模块提供时钟和复位信号；

观察 LED 信号是否按照设计（每经过一定计数周期翻转）工作；

进行一次完整的仿真，并在仿真 1ms 后结束。

接着我们回到Vivado，如下所示仿真效果可见。