计数器设计要素及Verilog示例

  • 写在前面的话
  • 计数器设计要素
  • 计数器设计示例
    • 加法计数器
    • 减法计数器
    • 带使能标志计数器
    • 格雷码计数器
    • 环形计数器
    • Johnson计数器
    • Ripple计数器（低功耗计数器的一种）
    • BCD计数器
  • 总结

写在前面的话

计数器设计是数字IC设计的核心，也是最常用的代码片段，通过记录时钟周期个数，可以控制电路的时序。通过计数器可以实现测量、计数、状态控制以及分频等功能，计数器由触发器和逻辑门共同构成。在《手把手教你学FPGA设计——基于大道至简的至简设计法》书中，将模块划分为三大架构，分别是FIFO架构、状态机架构以及计数器架构。从我个人理解，计数器和状态机分别对应了数字电路中的时序以及计算流程，而FIFO架构则是对应两个计算模块之间的连接关系以及对应的数据流。

下图摘自《手把手教你学FPGA设计——基于大道至简的至简设计法》，三大架构：

注意：
我们可能不会具体设计某一种计数器，但是在每个设计中都能找到计数器的影子。关键的是理解不同计数器的特点，并在项目中使用他们，同时计数器也是笔面中常考的一个关键知识点。

计数器设计要素

要素1： 初始值是多少？
这里要考虑的是复位信号和其他标志信号，一般复位信号计数器清零，其他标志信号看具体情况。

要素2： 结束值是多少？
结束值同样重要，默认在计数满的时候自动清零，而在某些情况，为避免清零后重新计数，也可以强制要求计数值保持在量程外，避开判断的组合模块。

要素3： 往哪个方向计数？
和初始值、结束值对应的则是往哪个方向计数，是采用加法计数还是减法计数？在同一个设计里面，计数的方向要保持统一。

要素4： 计数步长是多少？
除了计数方向，还要考虑的是每次计数步长，默认步长就为1。

要素5： 计数条件是什么？
默认的计数条件就是时钟跳变沿，除此之外还有使能信号、标志信号以及计数条件是否有优先级？
合理使用上述要素，可以简化计数器的使用，例如，在需要多个量程的计数模块，而各个计数模块又不会同时工作时，可以统一采用一个大量程的计数器，通过合理的设置要素，减少资源的消耗。

计数器设计示例

加法计数器

一个指令周期或外部脉冲时将计数器内容加1。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : up_counter.v// Create : 2022-11-02 13:53:52// Revise : 2022-11-02 13:53:52// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0// Description: 8bit 加法计数器// -----------------------------------------------------------------------------module up_counter (inputclk ,// Clockinput rst_n ,// Asynchronous low level resetoutput reg [7:0]cnt// Count value);always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin cnt <= 8'd0;end else begincnt <= cnt +8'd1;endendendmodule

减法计数器

一个指令周期或外部脉冲时将计数器内容减1。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : down_counter.v// Create : 2022-11-02 14:00:39// Revise : 2022-11-02 14:00:39// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0// Description: 8bit 减法计数器// -----------------------------------------------------------------------------module down_counter (input clk ,// Clockinput rst_n , // Asynchronous reset active lowoutput reg [7:0]cnt // Count value);always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin cnt <= 8'hff;end else begincnt <= cnt - 8'd1;endendendmodule

带使能标志计数器

使能信号有效时计数。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : ena_counter.v// Create : 2022-11-02 14:23:48// Revise : 2022-11-02 14:23:48// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0// Description: 8bit 计数器 带使能信号// -----------------------------------------------------------------------------module ena_counter (input clk , // Clockinput rst_n , // Asynchronous reset active lowinput ena ,// Enable signal active high output reg [7:0 ]cnt //Count value);always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_if(~rst_n) begincnt<= 8'd0;end else if (ena == 1'b1) begin //使能信号有效 计数 cnt <= cnt +8'd1;endelse begincnt <= cnt ;// cnt <= 8'd0 ; //保持上次计数值或清零endendendmodule

格雷码计数器

格雷码计数器是为了在异步时钟域之间传递计数结果而用到的计数器。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : CHAO LI1320343336@qq.com// File : gray_counter.v// Create : 2022-11-02 14:59:32// Revise : 2022-11-02 14:59:32// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0// Description: 8bit 格雷码计数器// -----------------------------------------------------------------------------`timescale 1ns/1nsmodule gray_counter( input clk ,//Clock input rst_n ,//Asynchronous reset active low outputreg [7:0] gray_out//Gray code output);reg[8:0] count;reg rev;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(~rst_n)count <= 8'b0; elsecount <= count + 8'b1;end always@(*) beginif(!rst_n)gray_out = 8'b0;elsegray_out = count[8:1] ^ (count[8:1] >> 1);endendmodule

环形计数器

最简单的移位寄存器，对应N位环型计数器有N个状态。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : ring_conuter.v// Create : 2022-11-02 15:15:21// Revise : 2022-11-02 15:15:21// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion:v1.0// Description: 8bit 环形计数器// -----------------------------------------------------------------------------module ring_conuter (inputclk , // Clockinput rst_n ,// Asynchronous reset active lowinput ena, // Enableoutput reg [7:0] cnt // ring count value );always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin cnt <= 8'b0000_0001;end else if(ena == 1'b1) begin cnt <= {cnt[0],cnt[7:1]};endelse begin cnt <= cnt ;endendendmodule

Johnson计数器

约翰逊(Johnson)计数器又称扭环计数器,是一种用n位触发器来表示2n个状态的计数器。约翰逊(Johnson)计数器相邻两组数只有一位不同，避免竞争冒险。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : johnson_counter.v// Create : 2022-11-02 15:23:15// Revise : 2022-11-02 15:23:15// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion:v1.0// Description: 8bit 扭环形计数器// -----------------------------------------------------------------------------module johnson_counter (input clk , // Clockinput ena , // Enableinputrst_n ,// Asynchronous reset active lowoutput reg [7:0]cnt // johnson count value);always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin cnt <= 8'd0;end else if(ena == 1'b1 ) begin cnt <= {~cnt[0],cnt[7:1]};endelse begin cnt <= cnt ;endendendmodule

Ripple计数器（低功耗计数器的一种）

行波计数器一般指异步计数器，使用触发器输出作为下一级触发器的时钟输入端。
缺点：
（1）信号产生偏移（延迟）；
（2）STA和综合麻烦，验证工作量大。
优点：
降低电路的功耗，属于低功耗计数器的一种。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : ripple_counter.v// Create : 2022-11-02 15:39:04// Revise : 2022-11-02 15:39:04// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0 // Description: 4bit 行波计数器 低功耗计数器// -----------------------------------------------------------------------------//顶层模块module ripple_counter (inputclk,// Clockinput reset , // Asynchronous reset active highoutput [3:0]cnt// ripple count value );T_FF tff0(cnt[0], clk, reset);T_FF tff1(cnt[1], cnt[0], reset);T_FF tff2(cnt[2], cnt[1], reset);T_FF tff3(cnt[3], cnt[2], reset);endmodule // -----------------------------------------------------------------------------//TFF模块module T_FF(output t_out, inputclk, input reset);wire d_in;D_FF dff0(t_out, d_in, clk, reset);//按照接口顺序来写notn1(d_in, t_out);endmodule// -----------------------------------------------------------------------------//DFF模块//D触发器module D_FF( output reg d_out, inputd_in, input clk ,input reset );always @ (posedge reset or negedge clk) beginif (reset)//高电平复位d_out <= 1'b0;elsed_out <= d_in;end endmodule

BCD计数器

用4位二进制数，来表示一位十进制数（0~9）。十进制计数，计满进位。

// -----------------------------------------------------------------------------// Copyright (c) 2014-2022 All rights reserved// -----------------------------------------------------------------------------// Author : HFUT9041320343336@qq.com// File : bcd_counter.v// Create : 2022-11-02 15:53:31// Revise : 2022-11-02 15:53:31// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center// Verdion: v1.0// Description: 4bit BCD计数器// -----------------------------------------------------------------------------module bcd_counter (input clk ,// Clockinput rst_n,// Asynchronous reset active lowinput cin ,// Carry inputoutput reg cout ,// Carry outputoutput reg [3:0]cnt //bcd count value);//countalways @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin cnt <= 4'd0;end else if (cin == 1'b1)beginif (cnt == 4'd9 )cnt <= 4'd0 ;else cnt <= cnt +4'd1;endelse begincnt <= cnt ;endend//carry outalways @(posedge clk or negedge rst_n) begin//体会一下 时序逻辑和组合逻辑的区别if(~rst_n) begin cout <= 1'b0;end else if(cin == 1'b1 && cnt == 4'd9 ) begin cout <= 1'b1 ;endelse begin cout <= 1'b0 ;endendendmodule

总结

所有涉及时序的电路，均离不开计数器，数字电路以时钟周期为基准，通过计数器可以确定当前状态。作为最基础的模块，这里仅仅是列举了一些常用的计数器示例，感兴趣的同学可以继续寻找相关的知识点。同时，在设计电路时，也要多关注代码中的计数器的变种，熟练掌握计数器的设计，可以继续练习PWM、UART、VGA等常用的模块，仔细体会计数器的重要性。