基于至简设计法的数字时钟设计

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基于至简设计法的数字时钟设计
明德扬科技教育有限公司
本案例：明德扬首创全新FPGA设计技巧--至简设计法，教你如何一步一步去完成一个复杂电路的设计，里面很多有实用技巧，熟练运用这些技巧，有助于你写出非常优秀的FPGA设计代码。非常简洁易读，欢迎比较。
数字时钟是常见的毕业设计题目。我们做毕业设计时，一般使用数码管来显示数字。小时、分钟和秒钟各两位数字，所以需要用到6位的数码管。
如果平时不动手，要做这个毕业设计，很多人都会觉得挺难的。收集到的代码，其风格也是五花八门，第一感觉是貌似能看懂，但就是不知道怎么设计出来的。
其实如果有正确的设计思路和方法，其实现起来是非常简单的。下面我们就核心的数字模块为例，讲解如何使用至简设计法来实现。
数字模块的功能，是产生6个信号，分别表示时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位的值。例如上述信号值依次为2、1、4、3、5、9时，则表示时间为21点43分59秒。
仔细观察6个信号，每个单独来看，其数字都是递增的，增加到一定数后就清零。以秒个位为例，开始时值为0，然后是1、2、3依次增加，直到变成9后，然后变成0，再次循环。其他信号都是相同的规律。这些依次递增的信号，就是计数器。
我们认识到这些信号是计数器，那就好办了，明德扬最擅长就是计数器的设计。计数器设计只需要考虑两点，什么时候加1和要数多少个，明确这两个问题后，剩下的就是套用明德扬计数器模板了。
以秒个位这个计数器为例，这个计数器加1的条件是什么呢？到了1秒就加1。那我们怎么知道1秒钟时间到了呢？FPGA是通过数时钟周期数来确定时间的。例如下图，假设时钟频率是50MHz，即时钟周期是20ns，cnt是每个时钟加1，则当cnt==99时，就说明数了100个时钟周期，也就是时间是100*20=2000ns了。

同样的道理，1秒钟时间，我们就是数1s/20ns = 50_000_000个时钟周期。我们也认识到这个cnt也是计数器，其加1条件是“1”，要数50_000_000个数。我们套用明德扬计数器模块，即有下面代码。

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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;

代码中，always语句除了名字后，完全套用模板，不用更改。加1条件体现在第13行，要数多少个体现在第14行。
确定了cnt后，那么秒个位的加1条件就非常明确了，就是cnt数到50_000_000个，也就是end_cnt有效的时候。所以秒个位的加1条件是end_cnt。
秒个位要数多少个数字呢？由0到9，因此有10个。
综上所述，我们得到秒个位的代码如下表。

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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;

用类似于秒个位的思考方法，我们可以得到秒十位、分个位、分十位、时个位和时十位的代码，完整的代码如下表。

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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

细心的读者可以发现，上面每段计数器格式都非常相似。没错，这就是明德扬设计的技巧。我们设计的这套模板，基本上可以应用于任何场合，任何时候读者只考虑两个因素就够了，不会出现丢三落四的情况，而且每次只需要考虑一个因素，保证能做出最优的设计。
如果你还未发现这代码优秀的地方，建议你百度下数字时钟的代码，好好比一比，特别是好好想想我们的设计思路，明德扬是有方法有步骤、可以做到一次性设计对，而他们的则是想到哪写到哪，每次设计都不同的想法。每次设计都是不同的思想，水平怎么能提高！
明德扬整个培训周期，都是训练类似于这种固定、专业的思维方法，无论你遇到多复杂多前卫的项目，都能用这种思维方式来设计。
对了，上面代码中，我们没有补充信号定义这些。其实我们认为这些信号定义纯属体力劳动，是根本就不需要学习的，所以我们就没列出来。读者有兴趣可必补充。另外加上数码管译码电路，那么一个完整的数字时钟代码就出来了。

王栋春 · 2019-7-24 12:59:21

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