明德扬至简设计法完成数字时钟设计

明德扬吴老师

    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。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。我们套用计数器模块，即有下面代码。

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。

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。

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。

    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。