(原創) 如何設計電子鐘(II)? (SOC) (Verilog) (MegaCore) (DE2)
Abstract
之前曾完全使用Verilog的RTL撰寫一個電子鐘((原創) 如何設計電子鐘(I)? (SOC) (Verilog) (DE2))，這次功能一樣，但使用Altera所提供的Mega function：lpm_counter()與lpm_ff()來實現。
Introduction
使用環境：Quartus II 7.2 SP3 + DE2(Cyclone II EP2C35F627C6)
在(原創) 如何設計電子鐘(I)? (SOC) (Verilog) (DE2)中，我們全部自己來，從除頻器到計數器通通自己來。這次我們用的是Altera所提供的Mega function。
digi_clock2.v / Verilog
1 /*
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : digi_clock2.v
5 Compiler : Quartus II 7.2 SP3 + ModelSim-Altera 6.1g
6 Description : Demo how to write clock counter
7 Release : 07/31/2008 1.0
8 */
9 module digi_clock2 (
10 input CLOCK_50,
11 input [17:0] SW,
12 input [3:0] KEY,
13 output [6:0] HEX2,
14 output [6:0] HEX3,
15 output [6:0] HEX4,
16 output [6:0] HEX5,
17 output [6:0] HEX6,
18 output [6:0] HEX7
19 );
20
21 wire clk; // 1 Hz clock
22 wire en; // counter enable
23 wire clr; // counter clear
24 wire load; // load new min & hour
25 wire co; // carry out for 23:59:59
26 wire [3:0] md0; // original input for min[0]
27 wire [2:0] md1; // original input for min[1]
28 wire [3:0] hd0; // original input for hour[0]
29 wire [2:0] hd1; // original input for hour[1]
30
31 wire w_clk; // temp clk for lpm_counter
32 wire [3:0] w_md0; // correct input for min[0]
33 wire [2:0] w_md1; // correct input for min[1]
34 reg [3:0] w_hd0; // correct input for hour[0]
35 reg [2:0] w_hd1; // correct input for hour[1]
36 wire [3:0] w_sq0; // correct output for sec[0]
37 wire [2:0] w_sq1; // correct output for sec[1]
38 wire [3:0] w_mq0; // corrent output for min[0]
39 wire [2:0] w_mq1; // correct output for min[1]
40 wire [3:0] w_hq0; // correct output for hour[0]
41 wire [2:0] w_hq1; // correct output for hour[1]
42
43 wire w_co_sq0; // carry out for sec[0]
44 wire w_co_sq1; // carry out for sec[1]
45 wire w_co_mq0; // carry out for min[0]
46 wire w_co_mq1; // carry out for min[1]
47 wire w_co_hq0; // carry out for hour[0]
48 wire w_co_hq1; // carry out for hour[1]
49
50 assign en = SW[17];
51 assign clr = SW[16] | co;
52 assign load = SW[15];
53 assign md0 = SW[3:0];
54 assign md1 = SW[6:4];
55 assign hd0 = SW[10:7];
56 assign hd1 = SW[13:11];
57
58 assign w_md0 = (!load) ? 0 :
59 (md0 < 10) ? md0 : 9;
60 assign w_md1 = (!load) ? 0 :
61 (md1 < 6) ? md1 : 5;
62
63 // 23:59:59
64 /*
65 assign co = ~ load
66 & w_hq1[1] // 2
67 & w_hq0[1] & w_hq0[0] // 3
68 & w_mq1[2] & w_mq1[0] // 5
69 & w_mq0[3] & w_mq0[0] // 9
70 & w_sq1[2] & w_sq0[0] // 5
71 & w_sq0[2] & w_sq0[0]; // 9
72 */
73 assign co = w_co_sq1 & w_co_mq1 & w_co_hq1
74 & w_hq0[1] & w_hq0[0]; // 3
75
76 // 1Hz --------------------
77 lpm_counter # (
78 .lpm_width(25),
79 .lpm_direction("UP"),
80 .lpm_modulus(50000000>>1)
81 ) u0 (
82 .clock(CLOCK_50),
83 .cout(w_clk)
84 );
85
86 lpm_ff # (
87 .lpm_width(1),
88 .lpm_fftype("TFF")
89 )
90 u1 (
91 .clock(CLOCK_50),
92 .data(w_clk),
93 .q(clk)
94 );
95 // -----------------------
96
97 // sec[0].-------------------
98 lpm_counter # (
99 .lpm_width(4),
100 .lpm_direction("UP"),
101 .lpm_modulus(10)
102 ) u2 (
103 .cnt_en(en),
104 .sclr(clr),
105 .clock(clk),
106 .sload(load),
107 .data(4'h0),
108 .q(w_sq0),
109 .cout(w_co_sq0)
110 );
111 // -----------------------
112
113 // sec[1].-------------------
114 lpm_counter # (
115 .lpm_width(3),
116 .lpm_direction("UP"),
117 .lpm_modulus(6)
118 ) u3 (
119 .cnt_en(en & w_co_sq0),
120 .sclr(clr),
121 .clock(clk),
122 .sload(load),
123 .data(3'h0),
124 .q(w_sq1),
125 .cout(w_co_sq1)
126 );
127 // -----------------------
128
129 // min[0].-------------------
130 lpm_counter # (
131 .lpm_width(4),
132 .lpm_direction("UP"),
133 .lpm_modulus(10)
134 ) u4 (
135 .cnt_en(en & w_co_sq1 & w_co_sq0),
136 .sclr(clr),
137 .clock(clk),
138 .sload(load),
139 .data(w_md0),
140 .q(w_mq0),
141 .cout(w_co_mq0)
142 );
143 // -----------------------
144
145 // min[1].-------------------
146 lpm_counter # (
147 .lpm_width(3),
148 .lpm_direction("UP"),
149 .lpm_modulus(6)
150 ) u5 (
151 .cnt_en(en & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
152 .sclr(clr),
153 .clock(clk),
154 .sload(load),
155 .data(w_md1),
156 .q(w_mq1),
157 .cout(w_co_mq1)
158 );
159 // -----------------------
160
161 // hour[0].-------------------
162 lpm_counter # (
163 .lpm_width(4),
164 .lpm_direction("UP"),
165 .lpm_modulus(10)
166 ) u6 (
167 .cnt_en(en & w_co_mq1 & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
168 .sclr(clr),
169 .clock(clk),
170 .sload(load),
171 .data(w_hd0),
172 .q(w_hq0),
173 .cout(w_co_hq0)
174 );
175 // -----------------------
176
177 // hour[1].-------------------
178 lpm_counter # (
179 .lpm_width(2),
180 .lpm_direction("UP"),
181 .lpm_modulus(3)
182 ) u7 (
183 .cnt_en(en & w_co_hq0 & w_co_mq1 & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
184 .sclr(clr),
185 .clock(clk),
186 .sload(load),
187 .data(w_hd1),
188 .q(w_hq1),
189 .cout(w_co_hq1)
190 );
191 // -----------------------
192
193 // sec. dig0 to seg7
194 seg7_lut u8 (
195 .i_dig(w_sq0),
196 .o_seg(HEX2)
197 );
198
199 // sec. dig1 to seg7
200 seg7_lut u9 (
201 .i_dig({1'b0, w_sq1}),
202 .o_seg(HEX3)
203 );
204
205 // min. dig0 to seg7
206 seg7_lut u10 (
207 .i_dig(w_mq0),
208 .o_seg(HEX4)
209 );
210
211 // min. dig1 to seg7
212 seg7_lut u11 (
213 .i_dig({1'b0, w_mq1}),
214 .o_seg(HEX5)
215 );
216
217 // hour dig0 to seg7
218 seg7_lut u12 (
219 .i_dig(w_hq0),
220 .o_seg(HEX6)
221 );
222
223 // hour dig1 to seg7
224 seg7_lut u13 (
225 .i_dig({1'b0, w_hq1}),
226 .o_seg(HEX7)
227 );
228
229 always@(load, hd0, hd1) begin
230 if (!load) begin
231 w_hd0 = 0;
232 w_hd1 = 0;
233 end
234 else begin
235 if (hd1 <= 1) begin // 0 1
236 w_hd1 = hd1;
237
238 if (hd0 < 10)
239 w_hd0 = hd0;
240 else
241 w_hd0 = 9;
242 end
243 else begin // >= 2
244 w_hd1 = 2;
245
246 if (hd0 < 4)
247 w_hd0 = hd0;
248 else
249 w_hd0 = 3;
250 end
251 end
252 end
253
254 endmodule
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : digi_clock2.v
5 Compiler : Quartus II 7.2 SP3 + ModelSim-Altera 6.1g
6 Description : Demo how to write clock counter
7 Release : 07/31/2008 1.0
8 */
9 module digi_clock2 (
10 input CLOCK_50,
11 input [17:0] SW,
12 input [3:0] KEY,
13 output [6:0] HEX2,
14 output [6:0] HEX3,
15 output [6:0] HEX4,
16 output [6:0] HEX5,
17 output [6:0] HEX6,
18 output [6:0] HEX7
19 );
20
21 wire clk; // 1 Hz clock
22 wire en; // counter enable
23 wire clr; // counter clear
24 wire load; // load new min & hour
25 wire co; // carry out for 23:59:59
26 wire [3:0] md0; // original input for min[0]
27 wire [2:0] md1; // original input for min[1]
28 wire [3:0] hd0; // original input for hour[0]
29 wire [2:0] hd1; // original input for hour[1]
30
31 wire w_clk; // temp clk for lpm_counter
32 wire [3:0] w_md0; // correct input for min[0]
33 wire [2:0] w_md1; // correct input for min[1]
34 reg [3:0] w_hd0; // correct input for hour[0]
35 reg [2:0] w_hd1; // correct input for hour[1]
36 wire [3:0] w_sq0; // correct output for sec[0]
37 wire [2:0] w_sq1; // correct output for sec[1]
38 wire [3:0] w_mq0; // corrent output for min[0]
39 wire [2:0] w_mq1; // correct output for min[1]
40 wire [3:0] w_hq0; // correct output for hour[0]
41 wire [2:0] w_hq1; // correct output for hour[1]
42
43 wire w_co_sq0; // carry out for sec[0]
44 wire w_co_sq1; // carry out for sec[1]
45 wire w_co_mq0; // carry out for min[0]
46 wire w_co_mq1; // carry out for min[1]
47 wire w_co_hq0; // carry out for hour[0]
48 wire w_co_hq1; // carry out for hour[1]
49
50 assign en = SW[17];
51 assign clr = SW[16] | co;
52 assign load = SW[15];
53 assign md0 = SW[3:0];
54 assign md1 = SW[6:4];
55 assign hd0 = SW[10:7];
56 assign hd1 = SW[13:11];
57
58 assign w_md0 = (!load) ? 0 :
59 (md0 < 10) ? md0 : 9;
60 assign w_md1 = (!load) ? 0 :
61 (md1 < 6) ? md1 : 5;
62
63 // 23:59:59
64 /*
65 assign co = ~ load
66 & w_hq1[1] // 2
67 & w_hq0[1] & w_hq0[0] // 3
68 & w_mq1[2] & w_mq1[0] // 5
69 & w_mq0[3] & w_mq0[0] // 9
70 & w_sq1[2] & w_sq0[0] // 5
71 & w_sq0[2] & w_sq0[0]; // 9
72 */
73 assign co = w_co_sq1 & w_co_mq1 & w_co_hq1
74 & w_hq0[1] & w_hq0[0]; // 3
75
76 // 1Hz --------------------
77 lpm_counter # (
78 .lpm_width(25),
79 .lpm_direction("UP"),
80 .lpm_modulus(50000000>>1)
81 ) u0 (
82 .clock(CLOCK_50),
83 .cout(w_clk)
84 );
85
86 lpm_ff # (
87 .lpm_width(1),
88 .lpm_fftype("TFF")
89 )
90 u1 (
91 .clock(CLOCK_50),
92 .data(w_clk),
93 .q(clk)
94 );
95 // -----------------------
96
97 // sec[0].-------------------
98 lpm_counter # (
99 .lpm_width(4),
100 .lpm_direction("UP"),
101 .lpm_modulus(10)
102 ) u2 (
103 .cnt_en(en),
104 .sclr(clr),
105 .clock(clk),
106 .sload(load),
107 .data(4'h0),
108 .q(w_sq0),
109 .cout(w_co_sq0)
110 );
111 // -----------------------
112
113 // sec[1].-------------------
114 lpm_counter # (
115 .lpm_width(3),
116 .lpm_direction("UP"),
117 .lpm_modulus(6)
118 ) u3 (
119 .cnt_en(en & w_co_sq0),
120 .sclr(clr),
121 .clock(clk),
122 .sload(load),
123 .data(3'h0),
124 .q(w_sq1),
125 .cout(w_co_sq1)
126 );
127 // -----------------------
128
129 // min[0].-------------------
130 lpm_counter # (
131 .lpm_width(4),
132 .lpm_direction("UP"),
133 .lpm_modulus(10)
134 ) u4 (
135 .cnt_en(en & w_co_sq1 & w_co_sq0),
136 .sclr(clr),
137 .clock(clk),
138 .sload(load),
139 .data(w_md0),
140 .q(w_mq0),
141 .cout(w_co_mq0)
142 );
143 // -----------------------
144
145 // min[1].-------------------
146 lpm_counter # (
147 .lpm_width(3),
148 .lpm_direction("UP"),
149 .lpm_modulus(6)
150 ) u5 (
151 .cnt_en(en & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
152 .sclr(clr),
153 .clock(clk),
154 .sload(load),
155 .data(w_md1),
156 .q(w_mq1),
157 .cout(w_co_mq1)
158 );
159 // -----------------------
160
161 // hour[0].-------------------
162 lpm_counter # (
163 .lpm_width(4),
164 .lpm_direction("UP"),
165 .lpm_modulus(10)
166 ) u6 (
167 .cnt_en(en & w_co_mq1 & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
168 .sclr(clr),
169 .clock(clk),
170 .sload(load),
171 .data(w_hd0),
172 .q(w_hq0),
173 .cout(w_co_hq0)
174 );
175 // -----------------------
176
177 // hour[1].-------------------
178 lpm_counter # (
179 .lpm_width(2),
180 .lpm_direction("UP"),
181 .lpm_modulus(3)
182 ) u7 (
183 .cnt_en(en & w_co_hq0 & w_co_mq1 & w_co_mq0 & w_co_sq1 & w_co_sq0),
184 .sclr(clr),
185 .clock(clk),
186 .sload(load),
187 .data(w_hd1),
188 .q(w_hq1),
189 .cout(w_co_hq1)
190 );
191 // -----------------------
192
193 // sec. dig0 to seg7
194 seg7_lut u8 (
195 .i_dig(w_sq0),
196 .o_seg(HEX2)
197 );
198
199 // sec. dig1 to seg7
200 seg7_lut u9 (
201 .i_dig({1'b0, w_sq1}),
202 .o_seg(HEX3)
203 );
204
205 // min. dig0 to seg7
206 seg7_lut u10 (
207 .i_dig(w_mq0),
208 .o_seg(HEX4)
209 );
210
211 // min. dig1 to seg7
212 seg7_lut u11 (
213 .i_dig({1'b0, w_mq1}),
214 .o_seg(HEX5)
215 );
216
217 // hour dig0 to seg7
218 seg7_lut u12 (
219 .i_dig(w_hq0),
220 .o_seg(HEX6)
221 );
222
223 // hour dig1 to seg7
224 seg7_lut u13 (
225 .i_dig({1'b0, w_hq1}),
226 .o_seg(HEX7)
227 );
228
229 always@(load, hd0, hd1) begin
230 if (!load) begin
231 w_hd0 = 0;
232 w_hd1 = 0;
233 end
234 else begin
235 if (hd1 <= 1) begin // 0 1
236 w_hd1 = hd1;
237
238 if (hd0 < 10)
239 w_hd0 = hd0;
240 else
241 w_hd0 = 9;
242 end
243 else begin // >= 2
244 w_hd1 = 2;
245
246 if (hd0 < 4)
247 w_hd0 = hd0;
248 else
249 w_hd0 = 3;
250 end
251 end
252 end
253
254 endmodule
76行
// 1Hz --------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(25),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(50000000>>1)
) u0 (
.clock(CLOCK_50),
.cout(w_clk)
);
lpm_ff # (
.lpm_width(1),
.lpm_fftype("TFF")
)
u1 (
.clock(CLOCK_50),
.data(w_clk),
.q(clk)
);
// -----------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(25),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(50000000>>1)
) u0 (
.clock(CLOCK_50),
.cout(w_clk)
);
lpm_ff # (
.lpm_width(1),
.lpm_fftype("TFF")
)
u1 (
.clock(CLOCK_50),
.data(w_clk),
.q(clk)
);
// -----------------------
使用lpm_counter + lpm_ff的T-FF來實現1 Hz的clock，請參閱(原創) 如何設計除頻器? (SOC) (Verilog) (MegaCore) 。
97行
// sec[0].-------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(4),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(10)
) u2 (
.cnt_en(en),
.sclr(clr),
.clock(clk),
.sload(load),
.data(4'h0),
.q(w_sq0),
.cout(w_co_sq0)
);
// -----------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(4),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(10)
) u2 (
.cnt_en(en),
.sclr(clr),
.clock(clk),
.sload(load),
.data(4'h0),
.q(w_sq0),
.cout(w_co_sq0)
);
// -----------------------
在(原創) 如何設計電子鐘(I)? (SOC) (Verilog) (DE2)，對於秒方面是自己寫的60計數器， 在這裏我們是一個位數一個位數的處理，由於分最多是59秒，也就是說，秒的個位數需要的是10計數器。計數器請參閱(筆記) 如何設計計數器? (SOC) (Verilog) (MegaCore)。
113行
// sec[1].-------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(3),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(6)
) u3 (
.cnt_en(en & w_co_sq0),
.sclr(clr),
.clock(clk),
.sload(load),
.data(3'h0),
.q(w_sq1),
.cout(w_co_sq1)
);
// -----------------------
lpm_counter # (
.lpm_width(3),
.lpm_direction("UP"),
.lpm_modulus(6)
) u3 (
.cnt_en(en & w_co_sq0),
.sclr(clr),
.clock(clk),
.sload(load),
.data(3'h0),
.q(w_sq1),
.cout(w_co_sq1)
);
// -----------------------
同理，秒的十位數需要的是一個6計數器。由於十位數是由個位數所進位，所以counter的enable由en與個位數的進位w_co_sq0共同決定。至於時與分，道理相同，我就不再多言。
63行
// 23:59:59
assign co = ~ load
& w_hq1[1] // 2
& w_hq0[1] & w_hq0[0] // 3
& w_mq1[2] & w_mq1[0] // 5
& w_mq0[3] & w_mq0[0] // 9
& w_sq1[2] & w_sq0[0] // 5
& w_sq0[2] & w_sq0[0]; // 9
assign co = ~ load
& w_hq1[1] // 2
& w_hq0[1] & w_hq0[0] // 3
& w_mq1[2] & w_mq1[0] // 5
& w_mq0[3] & w_mq0[0] // 9
& w_sq1[2] & w_sq0[0] // 5
& w_sq0[2] & w_sq0[0]; // 9
到23:59:59會歸00:00:00，這裡有兩種做法，一種是判斷都23:59:59時進位。且特意的避開load。
73行
assign co = w_co_sq1 & w_co_mq1 & w_co_hq1
& w_hq0[1] & w_hq0[0]; // 3
& w_hq0[1] & w_hq0[0]; // 3
這種方式與(原創) 如何設計電子鐘(I)? (SOC) (Verilog) (DE2)較類似，判斷時、分、秒十位數部分是否進位，但因為時是24小時進位， 還要確定時的個位是否為3才能進位。
58行
assign w_md0 = (!load) ? 0 :
(md0 < 10) ? md0 : 9;
assign w_md1 = (!load) ? 0 :
(md1 < 6) ? md1 : 5;
(md0 < 10) ? md0 : 9;
assign w_md1 = (!load) ? 0 :
(md1 < 6) ? md1 : 5;
229行
always@(load, hd0, hd1) begin
if (!load) begin
w_hd0 = 0;
w_hd1 = 0;
end
else begin
if (hd1 <= 1) begin // 0 1
w_hd1 = hd1;
if (hd0 < 10)
w_hd0 = hd0;
else
w_hd0 = 9;
end
else begin // >= 2
w_hd1 = 2;
if (hd0 < 4)
w_hd0 = hd0;
else
w_hd0 = 3;
end
end
end
if (!load) begin
w_hd0 = 0;
w_hd1 = 0;
end
else begin
if (hd1 <= 1) begin // 0 1
w_hd1 = hd1;
if (hd0 < 10)
w_hd0 = hd0;
else
w_hd0 = 9;
end
else begin // >= 2
w_hd1 = 2;
if (hd0 < 4)
w_hd0 = hd0;
else
w_hd0 = 3;
end
end
end
都只是為了輸入防呆，在(原創) 如何設計除頻器? (SOC) (Verilog) (MegaCore)都曾經討論過，只是將code搬過來而已。
完整程式碼下載
digi_clock2.7z
Conclusion
其實也不一定得用Mega function不可，只是趁機熟悉一下Mega function的使用方法。Mega function類似C++的STL，用STL會使程式短一點，但你要用C++自己實做演算法當然也可以。
See Also
(原創) 如何設計電子鐘(I)? (SOC) (Verilog) (DE2)
(原創) 如何設計除頻器? (SOC) (Verilog) (MegaCore)
(筆記) 如何設計計數器? (SOC) (Verilog) (MegaCore)
Reference
陸自強 2007，數位系統實習 Quartus II，儒林圖書公司
