实验 2：计数器实验

从本实验开始就是硬件的实验，要使用 SystemVerilog 等硬件描述语言编写程序，通过 Vivado 来综合和实现。由于 Vivado 并不支持 macOS 操作系统，在苹果电脑上，只能通过虚拟机的方式使用 Vivado。在虚拟机里面可以安装 Windows 或者 Linux，建议安装 Linux，便于后续的开发工作。

实验目的

1. 熟悉硬件描述语言及 thinpad_top 工程模板；
2. 熟悉开发环境 Vivado，了解硬件系统开发的基本过程；
3. 掌握组合逻辑与时序逻辑的区别。

实验环境

1. 硬件环境：PC 计算机（Windows 10 或 Linux 操作系统），ThinPAD 开发板或云实验平台；
2. 软件环境：FPGA 开发工具软件 Vivado。

实验内容

1. 根据以下需求，用 SystemVerilog 语言实现一个简单的按扭控制计数器。

   1. 计数值宽度为 4 位，实时显示在实验板的七段数码管上；
   2. 使用微动开关 push_btn 控制计数功能，每次按下时计数值 +1；
   3. 任何时刻，按下微动开关 reset_btn 均可使计数值归零；
   4. 计数值达到 0xF 之后，不再继续增长；
   5. 使用工程模板中提供的 10MHz 时钟（clk_10M）及其对应的复位信号驱动整个逻辑。

2. 在教学计算机 ThinPAD-Cloud 上验证该计数器的功能。

实验原理

本实验通过实现一个简单的计数器硬件，帮助同学们熟悉硬件描述语言的开发，并掌握 Vivado 软件和云实验平台的基础使用方法，为接下来的实验打好基础。

设计框图

硬件描述语言通常使用模块化的方法进行设计，即将一个复杂的硬件设计，拆分为多个各自独立的模块，以便于模块的复用。首先我们画出这个实验的设计框图，框图中 FPGA 内部每个方框为一个 SystemVerilog 语言的模块，模块之间的连线为各种信号。

flowchart LR
  counter[计数器]:::seq;

  clock[计数按钮]:::periph -- push_btn --> btn1[按键检测]:::seq;
  reset[复位按钮]:::periph -- reset_btn ---> counter;

  subgraph FPGA
    btn1 -- trigger --> counter;
    counter -- "count[3:0]" --> seg7[译码器]:::comb;
  end

  seg7 -- "dpy0[7:0]" --> dpy[七段数码管]:::periph;

  classDef comb fill:#e8f5e9,stroke:#43a047;   %% green
  classDef seq fill:#ffecb3,stroke:#ffa000;    %% orange
  classDef periph fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3; %% blue
  linkStyle default opacity:1.0

原理图

在设计框图的基础上，把各个模块的的信号和连线画出来，就得到了原理图：

模块分析

计数器模块

计数器模块实现本实验的核心功能，即接受 trigger 和 reset_btn 信号，输出 4 位的 count 计数值信号。同时，由于需要保存当前的状态，其中需要包含寄存器元件，因此是一个时序模块。由此，可以推导出它的模块声明类似于：

module counter (
  // 时钟与复位信号，每个时序模块都必须包含
  input wire clk,
  input wire reset,

  // 计数触发信号
  input wire trigger,

  // 当前计数值
  output wire [3:0] count
);

// Actual logic goes here ...

endmodule

初步考虑实验需求，count 信号应该由一组寄存器维护状态，并在 trigger 的每个上升沿 +1，在 reset 的上升沿归零。如果你对 SV 的语法有初步了解，可能会写出类似下方的代码：

reg [3:0] count_reg;
always_ff @ (posedge trigger or posedge reset) begin
  if (reset) begin
    count_reg <= 4'd0;
  end else begin
    count_reg <= count + 4'd1;  // 暂时忽略计数溢出
  end
end
assign count = count_reg;

这段代码将上述的需求进行了行为级描述，如果对其进行综合、上板测试，也确实可以达到计数的功能。但是，这段代码是一个典型的异步逻辑设计，即没有全局统一时钟驱动的逻辑设计。异步逻辑在复杂的项目中，会导致静态时序分析失败，造成在硬件上难以调试的时序问题，因此应尽量避免使用。一个更合理的同步设计类似于：

// 注意此时的敏感信号列表
always_ff @ (posedge clk or posedge reset) begin
    if(reset) begin
        count_reg <= 4'd0;
    end else begin
        if (trigger)   // 增加此处
            count_reg <= count_reg + 4'd1;  // 暂时忽略计数溢出
    end
end
assign count = count_reg;

在同步设计中，实际上是在全局时钟 clk 的每个上升沿，对输入的 trigger 进行采样，如果其为高电平，就执行 count_reg 自增的语句。通过这一方法，使输出的 count_reg 寄存器与全局时钟同步，避免了时序问题。关于静态时序分析的知识，同学可以查阅相关资料详细了解，在后续的实验中也有涉及。

实验需求中还提到了当计数器达到 0xF 后，不再继续增长。该部分的 HDL 描述也比较简单，请同学自己尝试实现。

按键检测模块

在上述的同步计数器设计中，带来了一个新的问题。输入的全局时钟频率很高，达到了数十 MHz 量级，而人手每次按下按键，持续的时长将远高于时钟的一个周期，导致每次按键，实际上 count_reg 被自增了上万次，显然不是我们想要的效果。因此，需要一个模块，对按键信号的上升沿进行捕捉，将每一次“按下”的事件，转换为单个时钟周期的脉冲信号，提供给 counter 模块作为 trigger。

根据这一想法，可以构建一个波形图如下：

波形中，在 a 处的时钟上升沿，按键被按下，产生了一个周期的 trigger 信号。而在 b 周期，按键被松开，不产生任何影响。这样，就实现了对按键上升沿进行检测的操作，因此这样的按键检测模块，也可以称为边沿检测器，是硬件设计中很常用的一个设计。

如果要实现这一波形给出的功能，可以使用一个寄存器，维护 push_btn 在上一个周期的状态，并在每个时钟周期判断当前状态与上一个状态的关系，给出相应的输出结果。通过适当地使用组合逻辑与时序逻辑，可以实现 trigger 输出延迟一个周期或者不延迟。这一模块的具体信号列表和实现，留给同学作为练习。

译码器模块

译码器模块的功能较为简单，就是将外部给出的数值信号，转换为七段数码管每个笔段具体的亮灭状态。工程模板中已经给出了这一模块，文件名为 SEG7_LUT.v，其使用方法可以参考 thinpad_top.sv 中给出的样例，在此不再赘述。

顶层模块

前文中提到，HDL 设计通常为层次化、模块化的设计，在设计完上述的几个模块之后，需要一个顶层模块，将这些模块的逻辑包含在其中，并将信号进行正确连接，以最终实现需求的功能，这一过程称为模块的例化和连线。借助软件语言的思维，可以将顶层模块理解为 main() 函数，在其中调用其他函数。顶层模块对外的信号，将要逐一与 FPGA 芯片引脚对应，并与芯片外的外设进行通讯。

在之前的章节中，已经对工程模板的顶层文件 thinpad_top.sv 进行了详尽的解析，此处简单讲解一下对以上模块的例化。

module thinpad_top (
    input wire clk_50M,
    ...
);

// 删除该部分内容，在其后添加你的模块例化
always_ff @ (posedge clk_10M or posedge reset_of_clk10M) begin
    ...
end

// 内部信号声明
reg trigger;
reg [3:0] count;  // 注意位宽！

// 计数器模块例化
// counter 是模块类型，u_counter 是当前实例的名字
// 同一个模块可以多次被例化，但它们均为独立的实体，相互之间不存在关联性
counter u_counter (
  .clk     (clk_10M),
  .reset   (reset_of_clk10M),
  .trigger (trigger),
  .count   (count)
);

// 按键检测模块
// 请根据自己的设计修改
button_in u_button_in (
  .clk     (clk_10M),
  .reset   (reset_of_clk10M),

  .push_btn (push_btn),
  .trigger  (trigger)
);

// 七段数码管译码器
// thinpad_top 中提供了该部分的样例，可以将其中的 number 替换为我们的 count 信号
// 注意：先阅读理解样例的功能，移除不需要的逻辑，避免各种问题

...
endmodule

思考题目

1. 计数器模块中提到的异步逻辑与同步逻辑有何不同？可以通过观察 Vivado 综合后的电路原理图，并且查阅相关资料回答本题。

实验报告要求

1. 完成代码后，在实验平台上进行实验，检验你的计数器的运行结果。给出实验过程的截图。注意不是 OJ 的通过截图。

2. 回答实验思考题。