【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器

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目录-ip核基础知识之计数器

  • 一、效果演示
  • 二、ip核创建流程
  • 三、四位计数器仿真与分析
  • 四、计数器级联与仿真

遇见未来

一、效果演示

LPM_COUNTER IP核的RTL视图:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第1张图片
IP核计数器级联的RTL视图:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第2张图片

二、ip核创建流程

需要注意:本篇博客所使用的Quartus Ⅱ版本为13.0

创建LPM_COUNTER IP核的过程如下所示:

1、点击“Tools”,选择魔术棒“MegaWizard Plug-In Manager”。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第3张图片
2、选择“Create a new custom megafunction variation”, 创建一个新的自定义兆函数变体(先这么翻译吧)。
该对话框中的三个选项分别是新建一个定制IP核编辑一个现有的IP核复制一个现有的定制IP核
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第4张图片
3、本次项目使用LPM_COUNTER,选择好输出目录
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第5张图片
4、先使用4位的计数器,选择递增计数方式
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第6张图片
5、配置为计数值计数且为10d,有进位输入以及输出
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第7张图片
6、对于该IP核的基础使用,其余选项默认即可,直到Finish。这时我们能在Files中看到counter.qip文件,双击之后显示如下,这仅仅只是IP核的说明文件而已,我们还需要手动添加counter.v文件。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第8张图片
7、添加counter.v文件。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第9张图片
8、进入添加文件的界面。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第10张图片
9、选择当时输出目录下的counter.v文件。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第11张图片
10、选择文件完成之后,点击Add,并点击Apply
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第12张图片
11、此时就可以在Files中看到我们所添加的counter.v文件了。
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第13张图片
12、将counter.v设置为顶层,并分析与综合
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第14张图片
分析与综合之后的RTL:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第15张图片
可见通过IP核生成的RTL视图与通过自己编写计数器的RTL是存在差异的。通过IP核生成的电路 更接近于真实的电路结构,IP核做了很多结构上的优化,能够使性能大幅度提高

生成的IP核内容如下:

// megafunction wizard: %LPM_COUNTER%
// GENERATION: STANDARD
// VERSION: WM1.0
// MODULE: LPM_COUNTER 

// ============================================================
// File Name: counter.v
// Megafunction Name(s):
// 			LPM_COUNTER
//
// Simulation Library Files(s):
// 			lpm
// ============================================================
// ************************************************************
// THIS IS A WIZARD-GENERATED FILE. DO NOT EDIT THIS FILE!
//
// 13.0.0 Build 156 04/24/2013 SJ Full Version
// ************************************************************


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//and other software and tools, and its AMPP partner logic 
//functions, and any output files from any of the foregoing 
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//to the terms and conditions of the Altera Program License 
//Subscription Agreement, Altera MegaCore Function License 
//Agreement, or other applicable license agreement, including, 
//without limitation, that your use is for the sole purpose of 
//programming logic devices manufactured by Altera and sold by 
//Altera or its authorized distributors.  Please refer to the 
//applicable agreement for further details.


// synopsys translate_off
`timescale 1 ps / 1 ps
// synopsys translate_on
module counter (
	cin,
	clock,
	cout,
	q);

	input	  cin;
	input	  clock;
	output	  cout;
	output	[3:0]  q;

	wire  sub_wire0;
	wire [3:0] sub_wire1;
	wire  cout = sub_wire0;
	wire [3:0] q = sub_wire1[3:0];

	lpm_counter	LPM_COUNTER_component (
				.cin (cin),
				.clock (clock),
				.cout (sub_wire0),
				.q (sub_wire1),
				.aclr (1'b0),
				.aload (1'b0),
				.aset (1'b0),
				.clk_en (1'b1),
				.cnt_en (1'b1),
				.data ({4{1'b0}}),
				.eq (),
				.sclr (1'b0),
				.sload (1'b0),
				.sset (1'b0),
				.updown (1'b1));
	defparam
		LPM_COUNTER_component.lpm_direction = "UP",
		LPM_COUNTER_component.lpm_modulus = 10,
		LPM_COUNTER_component.lpm_port_updown = "PORT_UNUSED",
		LPM_COUNTER_component.lpm_type = "LPM_COUNTER",
		LPM_COUNTER_component.lpm_width = 4;


endmodule

// ============================================================
// CNX file retrieval info
// ============================================================
// Retrieval info: PRIVATE: ACLR NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: ALOAD NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: ASET NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: ASET_ALL1 NUMERIC "1"
// Retrieval info: PRIVATE: CLK_EN NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: CNT_EN NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: CarryIn NUMERIC "1"
// Retrieval info: PRIVATE: CarryOut NUMERIC "1"
// Retrieval info: PRIVATE: Direction NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: INTENDED_DEVICE_FAMILY STRING "Cyclone IV E"
// Retrieval info: PRIVATE: ModulusCounter NUMERIC "1"
// Retrieval info: PRIVATE: ModulusValue NUMERIC "10"
// Retrieval info: PRIVATE: SCLR NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: SLOAD NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: SSET NUMERIC "0"
// Retrieval info: PRIVATE: SSET_ALL1 NUMERIC "1"
// Retrieval info: PRIVATE: SYNTH_WRAPPER_GEN_POSTFIX STRING "0"
// Retrieval info: PRIVATE: nBit NUMERIC "4"
// Retrieval info: PRIVATE: new_diagram STRING "1"
// Retrieval info: LIBRARY: lpm lpm.lpm_components.all
// Retrieval info: CONSTANT: LPM_DIRECTION STRING "UP"
// Retrieval info: CONSTANT: LPM_MODULUS NUMERIC "10"
// Retrieval info: CONSTANT: LPM_PORT_UPDOWN STRING "PORT_UNUSED"
// Retrieval info: CONSTANT: LPM_TYPE STRING "LPM_COUNTER"
// Retrieval info: CONSTANT: LPM_WIDTH NUMERIC "4"
// Retrieval info: USED_PORT: cin 0 0 0 0 INPUT NODEFVAL "cin"
// Retrieval info: USED_PORT: clock 0 0 0 0 INPUT NODEFVAL "clock"
// Retrieval info: USED_PORT: cout 0 0 0 0 OUTPUT NODEFVAL "cout"
// Retrieval info: USED_PORT: q 0 0 4 0 OUTPUT NODEFVAL "q[3..0]"
// Retrieval info: CONNECT: @cin 0 0 0 0 cin 0 0 0 0
// Retrieval info: CONNECT: @clock 0 0 0 0 clock 0 0 0 0
// Retrieval info: CONNECT: cout 0 0 0 0 @cout 0 0 0 0
// Retrieval info: CONNECT: q 0 0 4 0 @q 0 0 4 0
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter.v TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter.inc FALSE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter.cmp FALSE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter.bsf FALSE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter_inst.v FALSE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL counter_bb.v TRUE
// Retrieval info: LIB_FILE: lpm

三、四位计数器仿真与分析

编写测试激励文件:

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module counter_tb;

	reg clk;//计数基准时钟
	reg cin;//进位输入
	
	wire cout;//进位输出
	wire [3:0]q;
	
	counter counter0(
		.cin(cin),
		.clock(clk),
		.cout(cout),
		.q(q)
	);
	
	initial clk = 1;
	always #(`clock_period/2) clk = ~clk;
	
	initial begin
		repeat(20)begin
			cin = 0;
			#(`clock_period*5) cin = 1;
			#(`clock_period) cin = 0;
		end
		#(`clock_period*200);
		$stop;
	end
	
endmodule

仿真结果:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第16张图片
可以观察到在仿真结果中出现了毛刺,在这里可以先理解为:由于IP核生成的计数器的电路更接近于真实的电路结构,且已经经过了布局布线的优化,所以会出现毛刺。对于更具体的原因,不需要深究。

当进位输入一个高电平之后,q计数1次;当进位输入10次高电平之后,q计数10次,同时产生一个进位输出高电平

四、计数器级联与仿真

先上RTL视图:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第17张图片
通过创建顶层文件的方式,调用两次IP核生成的计数器,并实现级联。

其中,Ucounter0实现的是低四位的计数,Ucounter1实现高四位的计数。当低四位计算10次之后,Ucounter0的cout产生一个进位输出,传入给Ucounter1作为进位输入。

在顶层文件中实现级联:

module counter_top(
	input 	cin,
	input 	clk,
	output 	[7:0]q,
	output 	cout
);
	
	wire cout0;
		
	counter Ucounter0(
		.cin(cin),
		.clock(clk),
		.cout(cout0),
		.q(q[3:0])
	);
	
	counter Ucounter1(
		.cin(cout0),
		.clock(clk),
		.cout(cout),
		.q(q[7:4])
	);

endmodule

在分析与综合之前,先把counter_top.v设置为顶层。

测试激励文件:

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module counter_top_tb;

	reg clk;//计数基准时钟
	reg cin;//进位输入
	
	wire cout;//进位输出
	wire [7:0]q;
	
	counter_top counter_top_0(
		.cin(cin),
		.clk(clk),
		.cout(cout),
		.q(q)
	);
	
	initial clk = 1;
	always #(`clock_period/2) clk = ~clk;
	
	initial begin
		repeat(300)begin
			cin = 0;
			#(`clock_period*5) cin = 1;
			#(`clock_period) cin = 0;
		end
		#(`clock_period*200);
		$stop;
	end
	
endmodule

为了便于观察计数效果,可以将计数值改为hex格式
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第18张图片

hex格式
十六进制(简写为hex或下标16)在数学中是一种逢16进1的进位制。一般用数字0到9和字母A到F表示,其中A ~ F相当于十进制的10~15,这些称作十六进制数字。例如十进制数57,在二进制写作111001,在16进制写作39。
现在的16进制则普遍应用在计算机领域,这是因为将4个位元(Bit)化成单独的16进制数字不太困难。1个字节(Byte)可以表示成2个连续的16进制数字

观察仿真结果,当计数值到达99,即计数了100次时,cout产生一个高电平脉冲:
【FPGA零基础学习之旅#6】ip核基础知识之计数器_第19张图片

csdn

结尾


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