Verilog和FPGA的自学笔记6——计数器（D触发器同步+异步方案）

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原创 2025-12-27 11:10:17 1.5k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Multisim实现D触发器模拟同步计数器 D触发器模拟同步计数器一. 元器件介绍二. 原理分析三. 仿真实验1. 单步触发计数器2. 沿时钟触发计数器 一. 元器件介绍这里用到的元器件有： DIgital power（VCC）数字电源 DIGITAL-CLOCK 数字时钟逻辑分析仪（XLA） ground 数字地 SPST 单刀单掷开关 74HC74D_4V D触发器芯片 DCD_HEX 数码管(带译码器四位二进制输入) PROBE 电位探测灯 PB_DPST 弹簧式触发开关 SPDT 单刀双掷开关 XOR2 双输入异或门 ... 阅读详情

先扯点别的，也是填填前面的坑，比如……

阻塞？非阻塞？

一直都不知道把这个写在哪里，随便安排一下叭（捂脸……）
Verilog中的赋值类型分为阻塞赋值（blocking）和非阻塞赋值（Non-Blocking）。

~~关于在一个名词后面加一个英文词汇这件事，虽然不知道有多少人会认真看，但我还是要加，因为这样可以显得我英语很好哈哈~~~~

对于阻塞赋值，嗯……看名字应该是什么阻塞了赋值。

语法结构：变量 = 表达式;

做个阅读程序写结果的题吧！~~cos信息学初赛试题……~~

认真思考！

reg a,b,c;

always @(*) begin
	a = 1'b1;
	b = a;
	c = a + b;
end

各位编程大佬发表发表意见，说说a，b，c分别等于多少？

以上就是一段经典的三个阻塞赋值语句。
结果：a=1，b=1，c=0。（盲猜会阻塞赋值的也会做错哈哈 ^^_^，别问怎么知道的……）

关于Verilog，大家都知道一句很经典的名言：

不要用软件编程的思维思考硬件编程

哎，但这里是顺序执行的：先把1赋给a，再把等于1的a赋给b，最后计算1+1 = 10 ，由于c为一位寄存器，丢掉高位后为0；

所以，always语块中阻塞赋值是串行执行的

此乃阻塞赋值之真谛。

非阻塞赋值就好理解了，核心就是FPGA的精华：并行处理。

语法结构：变量 <= 表达式; （区别就在有没有小于号）

重做一遍（只考虑第一次运行）：

reg a,b,c;

assign a = 1'b0;
assign b = 1'b0;
assign c = 1'b0;     //初始化信号为0

always @(*) begin
	a <= 1'b1;
	b <= a;
	c <= a+b;
end

结果：a = 1，b = 0，c = 0。
第一次可能有点迷糊，过程是这样的：首先，所有非阻塞语句右边表达式同时进行运算。

那第二、三个语句a和b还没算出来怎么办呢？

答：按照之前的旧数算（a=0，b=0）。（这里就把右边的ab看成具体的数，不要看成变量）

之后将结果同时赋给变量a，b，c。

所以最终结果分别是1，0，0。

注意：阻塞和非阻塞是对于时序逻辑always来说的，组合逻辑assign只有"="赋值。
别把下面这个东西写出来！

assign a <= b;

大家记住就可以了啊：时序逻辑你就写非阻塞赋值，组合逻辑就写阻塞赋值，这样就没问题了~

异步计数器

我觉得计数器中最好理解的当属异步计数器，我们就先做这个简单的吧~
~~个人观点：同步计数器纯粹锻炼思维用的……~~

D触发器构成的异步二进制计数器
CP 是计数器的时钟信号，每当脉冲到来时对D（Data）上的信号进行寄存。无论默认状态下Q非如何，由于Q非连接D，所以在每个脉冲下进行反转，也就是二分频。

同理，再把第一个D触发器当作时钟输入第二个D，对信号再次分频得到四分频。这同时也是一个两位二进制计数器。

原理说完了，接下来我们就要思考实现了。
鉴于我和大家都已经对Verilog有了大体印象，今天按照FPGA工程流程来吧！

1.模块设计

要设计一个module，我们首先要明确其具体功能，以及对应的输入和输出信号。
对于异步二进制计数器，时钟（CLK）是必不可少的，除此之外还应有复位（RST）信号。输出则是计数器的每一位（假设3位）。

这样我们就得到了计数器模块的大体框架：

在这里插入图片描述

懒得作图了，自己画的，将就着看吧……

把时钟信号和复位信号分别命名为sys_clk和sys_rst是行业习惯，咱也跟着写吧。

这里注意输出的out信号应为3位寄存器类型。

2.RTL代码

给大家讲个笑话：昨天本人花了好一阵子才把异步计数器写出来……但写完后真是觉得自己对Verilog代码的应用更加得心应手了。说句实话，如果你确实认真看完前五篇笔记，那么现在能力上对于完成计数器是绰绰有余了。真心希望大家下定决心无论如何也要自己把它写出来，最好直接仿真通过，再和我提供的代码进行对比。这样的进步绝对比先看代码再自己写要大得多。

大家一定相信我啊！

无从下手时的一点提示：考虑一下always的时序逻辑。

module counter(
    input sys_clk,
    input sys_rst,
    output [2:0] out
);

reg reg1,reg2,reg3;

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) begin
    if (!sys_rst)
        reg1 <= 1'b0;
    else
        reg1 <= ~reg1;
end

always @(negedge reg1 or negedge sys_rst) begin
    if (!sys_rst)
        reg2 <= 1'b0;
    else
        reg2 <= ~reg2;
end

always @(negedge reg2 or negedge sys_rst) begin
    if (!sys_rst)
        reg3 <= 1'b0;
    else
        reg3 <= ~reg3;
end

assign out = {reg3,reg2,reg1};

endmodule

其实写完了看着吧真没啥，就是写了仨反转机而已，但一开始设计就是不知道咋写……捂脸。

下面是vivado综合出来的硬件电路：
在这里插入图片描述有点混乱……
不过可以看到对应FPGA的D触发器并没有Q非，而是在Q后面接一个反相器实现的。

一开始很久没看明白这破图里粗绿线还有黑三角啥意思，半天才看明白那是表示总线，总线上对应数字相连。黑三角代表总线与单根线的连接。（破涕为笑）

3.编写仿真文件

这次关于仿真文件说个新知识点（不算新吧，反正之前没这么用过）：怎么实现CLK信号的连续反转捏？总不能无限的复制粘贴吧~

~~其实你只要复制粘贴一个周期（毕竟一个周期对了就行）~~
虽然理论可行，但总感觉差点意思。

确实，所以这里给大家介绍always语句的新用法，专门在tb里的用法：

always #延迟时间 语句;

这意思就是说always间隔一段延时时间，就执行一次后面的语句。

比如上面计数器的RTL代码对应的tb文件中的CLK信号就应该这么写（故意写这么长的句子哈哈）：

always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

这意思就是每隔10个时间单位（不见得一定是1ns），sys_clk信号就反转一次。
时钟信号就这么完美的完成啦！开心~

下面是我写的tb文件：

`timescale 1ns/1ns

module tb_register();

reg sys_clk,sys_rst;
wire [2:0] out;

initial begin

    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst = 1'b0;

    #100
    sys_rst = 1'b1;

end

always #10 sys_clk <= ~sys_clk; 

register u_register(
    .sys_clk(sys_clk),
    .sys_rst(sys_rst),
    .out(out)
);

endmodule

注意一下sys_clk 仍需要在initial块里赋初值。

以下是我仿真出来的图，左边有对应名称：

在这里插入图片描述

相信大家都能自己走到这一步！

同步二进制计数器

接下来的电路有一点小复杂……

在这里插入图片描述
这是一个经典的由D触发器组成的同步二进制计数器。同步和异步的区别就在于时钟信号：所有触发器的时钟相同称为同步，反之亦然。

上图中G1、G2为异或门（XOR），G3为与门（AND）。

第一个D触发器很好理解，就是一个毫无特色的1位计数器。

为方便大家理解，真值表列举如下（假设三个触发器初始值为0）：

clk	Q0
0	0
1	1
2	0
3	1

接下来需要完成第二级计数。
观察一下异或的真值，可以发现一些东西：

A	B	Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

这里我特地重复一遍以方便观察。我们发现，A和B似乎分别就是二级和一级触发器，Y则是A打一拍后的信号。

所以我们可以把前两个触发器的输出异或，异或结果接入二级触发器的D端。

可以看到，这个电路通过利用异或门非常巧妙的实现了二分频。

既然可以通过异或门实现分频，那对于F3为什么又用了与门呢？咱们不妨再用异或门构尝试一下：若仅将Q2与Q3的异或结果输入F3，结果如何？

第1个时钟到来时，Q1和Q2均为0，异或结果为0，F3寄存值为0.
第2个时钟到来时，Q1为0，Q2为0，异或结果为0，F3寄存值为0.
第3个时钟到来时，Q1为1，Q1为0，异或结果为1，F3寄存值为1.
第4个时钟到来时，Q1为1，Q1为1，异或结果为0，F3寄存值为0.

真值表如下：

clk	Q1	Q2
0	0	0
1	0	0
2	1	0
3	1	1
4	0	0
5	0	0
6	1	0
7	1	1

可以看到，仅通过相同异或是无法对Q1再分频的。再准确点，Q1与Q2的周期是相同的（同为4个clk）。

那咋办捏？

我们再观察Q1和Q2的真值表，导致第四个clk到来时Q2反转的原因是Q1和Q2相同（同为1），然而之后的三个时钟周期Q2总是与Q1相同。所以，如果我们能够让Q2在第四个clk时把1保留下来，这事不就妥了吗？

那如何保持第四个clk时Q2的输出不变呢？我们现在在设计时序电路，对于时序电路最重要的就是观察利用每个时钟下状态。所以再回去瞅瞅Q0和Q1在第四个clk附近的真值表。

发现当第三个clk结束时Q0和Q1同为1。或者说，如果给Q0和Q1按上个与门，结果与Q1相同（即不影响Q1的结果）

所以如果我们将这个与门的输出接入F3，那么Q2的1就可以维持到第五个clk的到来。
再之后，由于Q2为1，它将与Q1总是不同，此时再利用异或门就可以持续维持1了。

clk	Q0	Q1	Q2
0	0	0	0
1	1	0	0
2	0	1	0
3	1	1	0
4	0	0	1
5	1	0	1
6	0	1	1
7	1	1	1

在这里，我们巧妙的利用了时钟周期，并通过与门实现了Q2在第四个clk结束时状态的维持。

接下来就可以开始编写RTL代码了，按照电路图写就号好：
还是希望大家先自己写……

module counter(
    input sys_clk,
    input sys_rst,
    output [2:0] out
);

reg F1, F2, F3;

// 时序逻辑，在时钟边沿更新所有寄存器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) begin
    if(!sys_rst) begin
        // 复位时清零所有寄存器
        F1 <= 1'b0;
        F2 <= 1'b0;
        F3 <= 1'b0;
    end
    else begin
        // 每个时钟周期更新值，使用前一个状态计算新值
        F1 <= ~F1;                  // F1 翻转
        F2 <= F1 ^ F2;              // F2 基于 F1 和自身前值更新
        F3 <= (F1 & F2) ^ F3;       // F3 基于 F1、F2 和自身前值更新
    end
end

// 输出组合
assign out = {F3, F2, F1};

endmodule

仿真文件与异步计数器的完全相同（毕竟除了原理，两个计数器的工作流程完全一致），就不再水字数啦哈哈~

仿真出来的波形也完全一样，就不再贴图啦~

常常思考同步和异步计数器再设计逻辑上的区别，因为异步计数器很简单，更像是无脑堆触发器。对于同步计数器而言，无论是时序还是逻辑完全上了一个档次。之前疑惑为啥非要整一个同步的呢？功能没区别逻辑却复杂了不少。直到最近设计CPU的时候才发现了同步计数器的必要性。

CPU中有一个叫做程序计数器（PC）的东西，本质是一个可以自己计数的寄存器。当写使能打开时，支持数据写入（跳转），PC使能时支持自增+1，由于高位触发器的时钟来自低位触发器的输出，如果此时再用异步计数器，当写使能关闭时，存在触发时钟的可能，那后面的数据自然就会乱套。

如果采用同步计数器，只需在每一个D端加一个MUX即可。而这样也是真正做到了到底是跳转还是计数的选择。

还有这种方式？！

其实，计数器的设计完全不用这么复杂的……
（难道我们在C++里的计数器需要复杂的逻辑运算吗？）

看看这个：

module counter(
	input	sys_clk,
	input	sys_rst,
	
	output	reg [2:0]	cnt
    );

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n)
		cnt <= 3'd0;
	else
		cnt <= cnt + 3'd1;
end

endmodule