FPGA学习笔记（六）—— 时序逻辑电路设计
用always@(posedge clk)描述
时序逻辑电路的基础——计数器（在每个时钟的上升沿递增1）
例1.四位计数器(同步使能、异步复位)
// Module Name: counter_4bit // Description: 4bit异步复位同步使能二进制计数器 module counter_4bit( input clk, //系统时钟信号 input rst, //系统复位按键 input en, //计数器使能端 output reg [3:0]q //计数器计数值输出 ); //同步使能，异步复位 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) q <= 0; else if(en) q <= q + 1'b1; //计数器加一 endmodule
testbench测试代码如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: counter_4bit_tb // Description: 4bit计数器模块测试文件 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define clk_period 20 //宏定义时钟周期 module counter_4bit_tb(); reg clk; //用于产生时钟信号 reg rst; //用于产生复位信号 reg en; //用于产生使能信号 wire [3:0]q; //计数器计数值输出 //例化测试模块 counter_4bit counter_4bit_test( .clk(clk), //系统时钟信号 .rst(rst), //系统复位按键 .en(en), //计数器使能端 .q(q) //计数器计数值输出 ); //开始测试 //生成时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period/2) clk = ~clk; //clk每5ns翻转一次，产生100M时钟信号 initial begin rst = 1; en = 0; #(`clk_period * 5 + 1 ); rst = 0; #(`clk_period * 5); en = 1; #(`clk_period *20); //因为4bit计数16个clk就清零，所以延时20个时钟周期 $stop; end endmodule
测试结果如下：
综合的电路图如下：
计数器是我们设计的第一个时序逻辑电路，也是最基本、最重要的时序逻辑电路，由图中可以看到一个计数器由加法器和D触发器组成；
特别要注意的一点，在用verilog描述计数寄存器加一的时候，我们没有先写一个加法器，然后例化调用，而是直接采用 q <= q + 1'b1这样描述加法器，这点在综合出的电路图也可以看出，加法器不再是门电路的组合，而是用一个圆圈替代，这时，数字逻辑设计的思想就又抽象了一层，不再是门电路的组合，而是这些具有逻辑功能的小方块的组合，所以，抽象的思想在数字逻辑设计中至关重要；
在编写testbench仿真测试的时候，我们也不再像测试组合逻辑电路那样利用穷举法测试功能，而是利用时钟测试，比如测试4bit的加法器，一要测试它能不能在每个时钟沿加一，而要测试它计满时可不可以自动清零；所以，在测试时序逻辑电路的时候要准确把握clk时钟信号；
注：计数器只是基本电路，比如分频器、定时器、巴克码序列发生器在计数器基本电路上设计即可；
例2.基本分频操作——分频器（闪烁灯：LED以1hz的频率闪烁）
分频器是计数器的一大应用，在FPGA中没有像C语言中delay（）这样的延时，那如何延时呢？可以通过分频器，将系统100M的高速时钟信号经过分频器，变为1hz的输出信号，这样，LED就会按1s的周期闪烁；
1hz的时钟信号是每500ms翻转1次，而在100M的时钟下，1个clk是10ns，所以应该每计数 500_000_000/10 = 50_000_000 次输出信号翻转，就产生了1hz的信号；50_000_000大概估算需要一个26位的寄存器；又因为计数器是从0开始计数的，所以最大计数值应该为49_999_999，设计如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Create Date: 2018/05/22 20:32:26 // Module Name: flashled // Description: 产生一个时钟信号，让LED灯按1hz的频率闪烁 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //`define SIMULATION /*** 仿真时保留，板级验证时注释 ***/ module flashled( input clk, //时钟信号输入 input rst, //复位信号输入 input en, //使能信号输入 output [15:0]led //led信号输出 ); `ifdef SIMULATION //仿真情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49; `else //板级验证情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49_999_999; `endif reg [25:0]cnt; //最大计数值49_999_999 reg [15:0]led_clk; //输出驱动led的1hz信号 //计数器功能描述 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) cnt <= 0; else if(en)begin if(cnt == CNT_MAX) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1'b1; end //产生1hz信号 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) led_clk <= 0; else if(cnt == CNT_MAX) led_clk <= ~led_clk; //每计满50_000_000个时钟周期（500ms），输出信号翻转一下 else led_clk <= led_clk; //经1hz信号输出到led assign led = led_clk; endmodule
testbench测试文件如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: flashled_tb // Description: flashled模块测试文件 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define clk_period 10 //100M时钟信号 module flashled_tb(); reg clk; //用于产生时钟信号 reg rst; //用于产生复位信号 reg en; //用于产生使能信号 wire [15:0]led; //观察led输出 //例化测试模块 flashled flashled_test( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .en(en), //使能信号输入 .led(led) //led信号输出 ); //产生时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period/2) clk = ~clk; //开始测试 initial begin rst = 1; //复位; en = 0; #(`clk_period * 5); rst = 0; #(`clk_period * 5); en = 1; //使能 #(`clk_period * 50 * 5 ); //仿真情况下计数器每计50次翻转，所以应该延时50 * 5个时钟周次观察翻转情况 $stop; end endmodule
测试结果如下：
综合电路图如下：
在编写testbench测试分频器模块时，由于计数器计数值为49_999_999 ,所以花费长时间，因为只需要测试功能，看模块计到设定值后会不会翻转信号，所以这样就是在浪费时间；
为了加快仿真速度，可以在仿真时将最大值改为49，这样就非常快，为了方便，可以在verilog中使用条件编译：
`ifdef SIMULATION //仿真情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49; `else //板级验证情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49_999_999; `endif
例3.基本移位操作——verilog位操作（流水灯：16个LED循环左移）
//1.取某一位直接操作
wire [2:0]m;
assign m = out[5:3];
//2.循环移位（移位寄存器）
reg [7:0] shift_a;
always@(posedge clk)
shift_a <= {shifta[0],shift[7:1]};
reg [7:0] shift_a;
wire data;
always@(posedge clk)
shift_a <= {data,shift[7:1]};
reg [7:0] shift_a;
wire data;
always@(posedge clk)
shift_a <= {shift[7:1],data};
//3、拼接
wire [3:0]x;
wire [3:0]y;
wire [7:0]z;
wire [31:0]n;
assign z = {x,y};
assign n = {x,7{x}};
verilog设计代码如下（计数器部分和分频器相同）：
//移位寄存器功能描述 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) led_temp <= 26'h0001; else if(cnt == CNT_MAX) led_temp <= {led_temp[14:0],led_temp[15]}; //循环左移 else led_temp <= led_temp; //输出到led assign led = led_temp;
testbench仿真测试文件和分频器相同；
测试结果如下:
综合出的电路图如下：
例4.BCD计数器
计数器是二进制的，但我们所熟悉的是十进制，所以4bit BCD计数器相当于十进制的计数器：从0计到9，然后进位，清零，设计图如下：
BCD计数器常常应用在数码管显示中，比如要要是1234，在单片机中通常会用C语言中的除法和取余提取每一位送到数码管显示，但是在数字逻辑电路中，除法器很耗费资源且效率不高，所以不采用除法，那如何进行显示呢？这个时候就可以将1234转换为对应的BCD码：0001_0010_0011_0100；这样只需要每次送入一个4bitBCD码就可以显示（如果以1ms的频率刷新，就是数码管动态扫描显示，也是下一个例子）；
verilog代码：
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Module Name: BCDcounter // Description: BCD计数器 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module BCDcounter( input clk, //时钟信号输入 input rst, //复位信号输入 input cin, //进位信号输入 output cout, //进位信号输出 output [3:0]q //4bitBCD码输出 ); reg [3:0]cnt; //计数器最大值为9，所以需要4bit计数器 //BCD计数器计数功能描述 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) cnt <= 0; else if(cin)begin if(cnt == 4'd9) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1'b1; end assign cout = cin && (cnt == 4'd9); /** 此处不能使用时序逻辑，需要在计满9的时候同步输出cout信号，然后在下次清零是cout恢复为0 **/ assign q = cnt; //BCD计数值输出 endmodule
testbench测试文件如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: BCDcounter_tb // Description: BCDcounter模块测试文件 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define clk_period 10 //100M时钟信号 module BCDcounter_tb(); reg clk; //时钟信号输入 reg rst; //复位信号输入 reg cin; //进位信号输入 wire cout; //进位信号输出 wire [3:0]q; //4bitBCD码输出 //例化测试模块 BCDcounter BCDcounter_test( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .cin(cin), //进位信号输入 .cout(cout), //进位信号输出 .q(q) //4bitBCD码输出 ); //产生100M时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period/2) clk = ~clk; //开始测试 initial begin rst = 1; //复位 cin = 0; //无进位 #(`clk_period * 2); rst = 0; #(`clk_period * 2); cin = 1; //产生进位，计数器开始计数 #(`clk_period * 15); //1个clk计一次数，总共计10次，所以延时15个clk观察波形 $stop; end endmodule
测试结果如下:
综合电路图如下:
至此一个4bitBCDcounter就设计完成了，一般使用时，都是通过级联实现多位BCD计数器，比如四个BCD计数器级联起来最大值为9999，可以很方便的应用在数码管动态显示上；
verilog代码如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: BCDcounter_top // Description: 4个4bit计数器进行级联，实现计数最大值为9999 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module BCDcounter_top( input clk, //时钟信号输入 input rst, //复位信号输入 input cin, //进位信号输入 output cout, //进位信号输出 output [15:0]q //BCD码输出 ); wire cout0,cout1,cout2; //4个BCD计数器级联之间连接线 wire [3:0]q0,q1,q2,q3; //每个BCD计数器的输出 assign q = {q3,q2,q1,q0}; //拼接成16位输出 //例化4个BCD计数器 BCDcounter BCDcounter0( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .cin(cin), //进位信号输入 .cout(cout0), //进位信号输出 .q(q0) //4bitBCD码输出 ); BCDcounter BCDcounter1( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .cin(cout0), //进位信号输入 .cout(cout1), //进位信号输出 .q(q1) //4bitBCD码输出 ); BCDcounter BCDcounter2( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .cin(cout1), //进位信号输入 .cout(cout2), //进位信号输出 .q(q2) //4bitBCD码输出 ); BCDcounter BCDcounter3( .clk(clk), //时钟信号输入 .rst(rst), //复位信号输入 .cin(cout2), //进位信号输入 .cout(cout), //进位信号输出 .q(q3) //4bitBCD码输出 ); endmodule
testbench测试文件与之前一样，但是需要增大延时时长，因为要计数到9999；
测试结果如下：
综合电路图如下：
例5.数码管动态扫描显示
设计图如上图，在数码管静态显示的基础上只需要添加一个分频器，将系统时钟分频为1ms的时钟信号，然后每1ms同时改变段选和位选，刷新显示，这就是数码管动态显示的原理；位选信号已经由2-4译码器控制，只有输入2位选择信号，所以还需一个四选一数据选择器，和2-4译码器共享一个选择信号sel，这样只需要改变sel的值就可以了；
verilog代码如下（这是顶层文件，还需要之前）：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: Dynamic_seg_display // Description: 4位数码管动态扫描显示 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define SIMULATION /*** 仿真时保留，板级验证时注释 ***/ module Dynamic_seg_display( input clk, //时钟信号 input rst, //复位信号 input [15:0]data_display, //16位待显示数据显示（4个BCD码） output [6:0]segments, //数码管段码 output [3:0]wei_sel //数码管位码 ); `ifdef SIMULATION //仿真情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49; `else //板级验证情况下 parameter CNT_MAX = 26'd99_999; `endif reg [22:0]cnt; //最大计数值4_999_999,需要23位计数器 reg [1:0]wei; //选择哪一位显示 wire [3:0]data_display_temp; //显示信号传输 //计数器功能描述 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) cnt <= 0; else if(cnt == CNT_MAX) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1'b1; //控制数码管动态扫描显示(每隔1ms加一，刷新段选和位选) always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) wei <= 2'b00; else if(cnt == CNT_MAX) wei <= wei + 1'b1; //每计满100_000个时钟周期（1ms）,位选加一，切换下一位 else wei <= wei; //例化四选一多路器，选择输入哪一位显示段码信号 mux4 mux4_1( .sel(wei), .data_in(data_display), .data_out(data_display_temp) ); //例化数码管译码模块 seg_display seg_display0( .data_display(data_display_temp), //数码管待显示数据 .wei(wei), //选择哪一位显示 .segments(segments), //数码管段码 .wei_sel(wei_sel) //数码管位码 ); endmodule //四选一多路器 module mux4( input [1:0]sel, input [15:0]data_in, output reg [3:0]data_out ); always@(*) case(sel) //对应位 4'h0: data_out = data_in[3:0]; 4'h1: data_out = data_in[7:4]; 4'h2: data_out = data_in[11:8]; 4'h3: data_out = data_in[15:12]; default: data_out = 4'bz; endcase endmodule
testbench测试代码如下：
`timescale 1ns / 1ps //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Module Name: Dynamic_seg_display_tb // Description: 数码管动态扫描显示控制模块测试文件 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define clk_period 10 //100M时钟信号 module Dynamic_seg_display_tb(); reg clk; //时钟信号 reg rst; //复位信号 reg [15:0]data_display; //16位待显示数据显示（4个BCD码） wire [6:0]segments; //数码管段码 wire [3:0]wei_sel; //数码管位码 //例化测试模块 Dynamic_seg_display Dynamic_seg_display_test( .clk(clk), //时钟信号 .rst(rst), //复位信号 .data_display(data_display), //16位待显示数据显示（4个BCD码） .segments(segments), //数码管段码 .wei_sel(wei_sel) //数码管位码 ); //产生100M时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period/2) clk = ~clk; //开始测试 initial begin rst = 1; data_display = 16'h4321; //数码管上显示"1234" #(`clk_period * 2); rst = 0; #(`clk_period * 50 * 5); //计50次数刷新一下，观察5次 $stop; end endmodule
测试结果如下：
综合后的电路图如图：
注：
将上一例中四个级联BCD计数器的16bit输出和该例中数码管动态扫描控制模块的16bit输入接起来，控制BCD计数的频率为1hz，就形成一个简易计时器，从0000一直计到9999；
verilog代码如下（这是顶层文件，底层模块调用之前的数码管动态扫描模块和4个级联BCD计数器模块）：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: easyclock // Description: 简易数字钟：按1hz的频率从0000-9999显示 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //`define SIMULATION /*** 仿真时保留，板级验证时注释 ***/ module easyclock( input clk, //时钟信号输入 input rst, //复位信号输入 output [6:0]segments, //数码管段码 output [3:0]wei_sel //数码管位码 ); `ifdef SIMULATION //仿真情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49; `else //板级验证情况下 parameter CNT_MAX = 26'd49_999_999; `endif reg clk_1hz; //1hz时钟信号 reg [25:0]cnt; //计数器计数寄存起(用于分频器) wire [15:0]data_display; //待显示数据 //计数器 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) cnt <= 0; else if(cnt == CNT_MAX) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1'b1; //产生1hz信号 always@(posedge clk,posedge rst) if(rst) clk_1hz <= 0; else if(cnt == CNT_MAX) clk_1hz <= ~clk_1hz; //每计满50_000_000个时钟周期（500ms），输出信号翻转一下 else clk_1hz <= clk_1hz; //例化4个BCD计数器 BCDcounter_top BCDcounter_top0( .clk(clk_1hz), /** 因为BCD需要按1hz计数，所以需要一个1hz时钟信号 **/ .rst(rst), //复位信号输入 .cin(1'b1), //进位信号输入 .cout(), //进位信号输出 .q(data_display) //BCD码输出 ); //例化数码管动态扫描显示控制模块 Dynamic_seg_display Dynamic_seg_display0( .clk(clk), //时钟信号 .rst(rst), //复位信号 .data_display(data_display), //16位待显示数据显示（4个BCD码） .segments(segments), //数码管段码 .wei_sel(wei_sel) //数码管位码 ); endmodule
综合电路图如下：
例6.74HC595驱动
在上一例中讲述了数码管动态扫描的设计，但是仅仅是4位数码管显示，就占用了8+4个IO，如果是8段8位数码管，就会占用16个IO，造成IO浪费，所以可以采用74HC595串转并芯片两片级联，只采用3个IO完成8段8位数码管的显示；
verilog描述如下：
////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //module: 74HC595驱动模块 //description: 将输入的16位数据串行输出到74HC595 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module HC595drive( input clk, //50M系统时钟 input rst, //低电平复位 input [7:0]seg, //8bit段选信号 input [7:0]sel, //8bit位选信号 output reg DIO, //74HC595数据引脚 output reg SHCP, //74HC595移位脉冲引脚 output reg STCP //74HC595输出脉冲引脚 ); reg clk_595; reg [1:0]divid_cnt; reg [4:0]count; //产生74HC595工作时钟12.5M always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst)begin divid_cnt <= 0; clk_595 <= 0; end else if(divid_cnt == 2'd3)begin clk_595 <= 1; divid_cnt <= 0; end else begin divid_cnt <= divid_cnt + 1'b1; clk_595 <= 0; end //对74HC595工作时钟clk_595计数 always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst) count <= 0; else if(clk_595 == 1)begin //一共串行发送16bit数据 if(count == 5'd31) count <= 0; else count <= count + 1'b1; end else count <= count; //count清零 //功能描述 always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst)begin DIO <= 0; SHCP <= 0; STCP <= 0; end else case(count) 5'd0: begin DIO <= seg[7]; SHCP <= 0; STCP <= 1; end //HEX_DP,输出 5'd1: begin SHCP <= 1; STCP <= 0; end //移位 5'd2: begin DIO <= seg[6]; SHCP <= 0; STCP <= 0; end //HEX_G 5'd3: begin SHCP <= 1; end 5'd4: begin DIO <= seg[5]; SHCP <= 0; end //HEX_F 5'd5: begin SHCP <= 1; end 5'd6: begin DIO <= seg[4]; SHCP <= 0; end //HEX_E 5'd7: begin SHCP <= 1; end 5'd8: begin DIO <= seg[3]; SHCP <= 0; end //HEX_D 5'd9: begin SHCP <= 1; end 5'd10: begin DIO <= seg[2]; SHCP <= 0; end //HEX_C 5'd11: begin SHCP <= 1; end 5'd12: begin DIO <= seg[1]; SHCP <= 0; end //HEX_B 5'd13: begin SHCP <= 1; end 5'd14: begin DIO <= seg[0]; SHCP <= 0; end //HEX_A 5'd15: begin SHCP <= 1; end 5'd16: begin DIO <= sel[7]; SHCP <= 0; end //第7位 5'd17: begin SHCP <= 1; end 5'd18: begin DIO <= sel[6]; SHCP <= 0; end //第6位 5'd19: begin SHCP <= 1; end 5'd20: begin DIO <= sel[5]; SHCP <= 0; end //第5位 5'd21: begin SHCP <= 1; end 5'd22: begin DIO <= sel[4]; SHCP <= 0; end //第4位 5'd23: begin SHCP <= 1; end 5'd24: begin DIO <= sel[3]; SHCP <= 0; end //第3位 5'd25: begin SHCP <= 1; end 5'd26: begin DIO <= sel[2]; SHCP <= 0; end //第2位 5'd27: begin SHCP <= 1; end 5'd28: begin DIO <= sel[1]; SHCP <= 0; end //第1位 5'd29: begin SHCP <= 1; end 5'd30: begin DIO <= sel[0]; SHCP <= 0; end //第0位 5'd31: begin SHCP <= 1; end endcase endmodule
testbench如下：
`timescale 1ns/1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //module: 74HC595驱动测试模块 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `define clk_period 20 //50M系统时钟 module HC595drive_tb(); reg clk; //50M系统时钟 reg rst; //低电平复位 reg [7:0]seg; //8bit段选信号 reg [7:0]sel; //8bit位选信号 wire DIO; //74HC595数据引脚 wire SHCP; //74HC595移位脉冲引脚 wire STCP; //74HC595输出脉冲引脚 //例化测试模块 HC595drive HC595drive_test( .clk(clk), .rst(rst), .seg(seg), .sel(sel), .DIO(DIO), .SHCP(SHCP), .STCP(STCP) ); //产生50M时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period / 2) clk = ~clk; //开始测试 initial begin rst = 0; //复位 seg = 8'hc0; //显示数字"1" sel = 8'ha5; //10100101 #(`clk_period * 5); rst = 1; #(`clk_period * 32 * 4); //传送16位需要32个clk，clk又被进行4分频 #(`clk_period * 10); $stop; end endmodule
测试结果如下：
例7.定时器
玩过单片机的小伙伴都很熟悉，单片机的基本外设就是定时器，定时器的核心也是计数器，设定工作方式（单次计数和循环计数）和定时值后，就开始计数，计满之后产生计数慢标志信号，提示设定的定时时间到达；
所以，如果要用计数器来设计一个定时器，需要实现的功能有：
1、定时时间参数通过一个端口输入，调节该值可以修改定时时间；
2、设置一个计数模式控制信号，当该信号为1时为循环定时模式，当该信号为0时为单次定时模式；
3、设置一个计数启动信号，在循环定时模式下，该信号为高电平使能计时，为低电平则停止计时；当单次计数模式下，该信号的一个单基准时钟周期的脉冲使能一次定时；
4、输出计数器定时计数值，该值用于产生特定占空比的方波；
设计图如下：
verilog代码如下：
module timer( input clk, //50M时钟信号 input rst, //低电平复位 input [31:0]timer_value, //定时值 input mode, //定时器模式选择 input en, //定时器使能控制端 output [31:0]cnt_value, //定时器计数值实时输出 output full_flag //定时器计满输出标志位 ); reg [31:0]cnt; //32bit计数器 reg oneshot; //在单次定时模式中，使能端一个脉冲就启动，但是计数器需要en保持为1才会计数，所以需要另外一个单次使能信号，当外部一个脉冲时，它会变为1，保持至定时结束; //功能描述 assign full_flag = (cnt == timer_value)?1'b1:1'b0; //输出计满标志位 assign cnt_value = cnt; //实时输出计数值 always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst) cnt <= 0; else if(mode)begin //mode = 1,循环定时模式 if(en && cnt < timer_value) cnt <= cnt +1'b1; //使能状态下且计数值未满,加一 else cnt <= 0; //其余情况下cnt清零 end else begin //mode = 0，单次定时模式 if(oneshot) cnt <= cnt + 1'b1; else cnt <= 0; end //利用外部一个脉冲产生oneshot信号供定时器单次定时模式下使用 //功能：当外部en产生一个高脉冲时，它会变为1，保持至定时结束; always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst) oneshot <= 0; else if(en) oneshot <= 1'b1; else if(cnt >= timer_value) //计满清零 oneshot <= 0; endmodule
testbench测试文件如下：
`timescale 1ns/1ps `define clk_period 20 module timer_tb(); reg clk; //50M时钟信号 reg rst; //低电平复位 reg [31:0]timer_value; //定时值 reg mode; //定时器模式选择 reg en; //定时器使能控制端 wire [31:0]cnt_value; //定时器计数值实时输出 wire full_flag; //定时器计满输出标志位 //例化测试模块 timer timer_test( .clk(clk), //50M时钟信号 .rst(rst), //低电平复位 .timer_value(timer_value), //定时值 .mode(mode), //定时器模式选择 .en(en), //定时器使能控制端 .cnt_value(cnt_value), //定时器计数值实时输出 .full_flag(full_flag) //定时器计满输出标志位 ); //产生50M时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period / 2) clk = ~clk; //开始测试 initial begin rst = 0; //系统复位 mode = 0; //首先测试模式0，单次计数模式 en = 0; //未使能 timer_value = 32'd10; //定时器计数值为10 #(`clk_period * 2); rst = 1; #(`clk_period * 2); en = 1; //产生一个高脉冲,使能定时器 #(`clk_period * 2); en = 0; #(`clk_period * 15); //系统计数10个clk会输出计满flag，在延时观察5个clk观察定时器是否停止 mode = 1; //开始测试定时器模式1，循环计数模式 #(`clk_period); en = 1; //使能定时器 #(`clk_period * 10 * 5); //系统计数10个clk会输出计满flag，一共观察5次flag en = 0; //停止使能 #(`clk_period * 10); //等待10个clk，观察定时器是否已停止工作 $stop; //停止测试 end endmodule
测试结果如下：
单次计数模式测试：
循环计数模式测试：
综合电路图如下：
定时器至此就设计结束，定时器有很多应用，比如产生PWM驱动无源蜂鸣器，驱动直流电机调速，驱动舵机，驱动步进电机，驱动RGBLED变色，总之利用定时器可以很方便产生可变PWM，利用好PWM也是很深的学问，如有兴趣自行深入；
