【FPGA】Verilog：时序电路设计 | 二进制计数器 | 计数器 | 分频器 | 时序约束
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
目录
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：
1.
module addcounter(clk,Q) ;
input clk ;
output[1:0] Q ;
reg[1:0] Q ;
always @(posedge clk)begin
Q<=Q+1 ;
end
endmodule2.
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) begin
if(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 |
|||||||||||
 |
 |
P |
T |
CP |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
Q0 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
| 0 |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 1 |
0 |
Ⅹ |
Ⅹ |
↑ |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
↑ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
计数 |
|||
| 1 |
1 |
0 |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
保持 |
|||
| 1 |
1 |
Ⅹ |
0 |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
Ⅹ |
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) begin
if (reset == 1'b1) begin
clk_1Hz <= 0;
counter <= 0;
end
else begin
counter <= counter + 1;
if ( counter == max) begin
counter <= 0;
clk_1Hz <= ~clk_1Hz;
end
end
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 size
always@(posedge reset or posedge clk) begin
if (reset == 1'b1) begin
Q <= 0;
counter <= 0;
end
else begin
counter <= counter + 1;
if (counter == max) begin
counter <= 0;
Q<=Q+4'b0001;
end
end
end
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
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。