目录

实验目的

实验预习

实验原理

设计要求

实验任务一

语法知识点1：不同抽象级别的Verilog HDL模型

 1 、Verilog HDL具有行为描述和结构描述功能

2 、数字电路系统设计（以正弦信号发生器为例说明）

语法知识点2：assign连续赋值语句（数据流描述方式）

实验任务二

实验任务三：硬件验证频率计的功能。

实验总结与分析

实验目的

设计8位16进制频率计，学习较复杂的数字系统设计方法。

实验预习

复习计数器和寄存器的设计。

实验原理

（1）频率计的功能是什么？（测量频率的仪器）

（2）频率计前面的定语“8位16进制”限定了什么？（频率计的测频范围）

根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的输入信号作为脉冲计数允许的信号。1秒计数结束后，计数值将被锁入锁存器，计数器清零，为下一次测频计数周期作好准备。

设计要求

如图1所示为8位16进制频率计原理图。

其中控制器control的计数使能信号cnt_en产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计中的32位二进制计数器cnt32的en使能端进行同步控制。当en为高电平时允许计数；低电平时停止计数，并保持所计的脉冲数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号load的上跳沿将计数器在前1秒钟的计数值锁存进锁存器reg32中，并由外部的十六进制七段译码器译出，显示计数值。设置锁存器的好处是数据显示稳定，不会由于周期性的清0信号而不断闪烁。锁存信号后，必须有一清0信号rst_cnt对计数器进行清零，为下一秒的计数操作作准备。

本设计需要一个32位的计数器，该计数器有一个1秒的计数使能信号，还有一个清零信号，该清零信号在两个计数使能信号中间的某一时间段产生。需要一个32位的锁存器，在计数结束之后，将计数值立即进行锁存。需要一个控制电路，用来产生计数器的计数使能信号、清零信号和锁存器的锁存信号。三个模块之间的连接关系如图1所示。

实验任务一

根据图2所示的波形，设计频率计的控制模块，并对设计中的各语句功能、设计原理及逻辑功能进行详细的描述。

控制器的参考代码：

module control(clk1HZ,cnt_en,rst_cnt,load);

input clk1HZ;

output  cnt_en,rst_cnt,load;

reg divclk;

always@(posedge clk1HZ)

divclk<=~divclk;

assign cnt_en=divclk;

assign load=~divclk;

assign rst_cnt=~clk1HZ & ~divclk;

endmodule

语法知识点1：不同抽象级别的Verilog HDL模型

 1 、Verilog HDL具有行为描述和结构描述功能

     行为描述是对设计电路的逻辑功能的描述，并不关心设计电路使用那些元件以及这些元件之间的连接关系。行为描述属于高层次的描述方法，在Verilog HDL中，行为描述包括系统级（System Level）、算法级（Algorithm Level）和寄存器传输级（RTL：Register Transfer Level）等3种抽象级别。应重点掌握行为描述方法。

结构描述是对设计电路的结构进行描述，即描述设计电路使用的元件及这些元件之间的连接关系。结构描述属于低层次的描述方法，在Verilog HDL，结构描述包括门级（Gate Level）和开关级（Switch Level）2种抽象级别。
   对于一个实际的数字系统电路，一般先用行为描述方法设计底层模块电路，最后用结构描述方法将各模块连接起来，构成顶层文件完成系统电路的设计。

2 、数字电路系统设计（以正弦信号发生器为例说明）

方法一：用原理图的方法实现数字电路系统设计，如图所示。

举例：如图所示为正弦信号发生器的数字系统设计。

方法二：用模块例化语句实现数字电路系统设计。

模块例化语句格式：

设计模块名 <例化电路名>（端口列表）；

 例化电路名：用户为系统设计定义的标识符，相当系统电路板上插入设计模块元件的插座
 端口列表：相当插座上引脚名表，应与设计模块的I/O端口一一对应。

下面源代码是正弦信号发生器的数字系统设计。

语法知识点2：assign连续赋值语句（数据流描述方式）

assign连续赋值语句描述输入、输出之间的逻辑关系，其格式为：

                 assign   目标变量名=驱动表达式

目标变量名必须为wire型变量；综合器默认输入输出端口为wire型变量。如果目标变量名需要有端口以外的变量，必须用网线型变量定义语句事先作出定义。网线型变量定义语句格式为：

wire [width-1：0]    变量1，变量2……；

assign连续赋值语句为并行语句，可以和always@语句相互转化表达。其执行过程为：等式右侧的驱动表达式中的任一信号发生变化，此表达式即被计算一遍，并将获得的数据立即赋给等式左侧的目标变量。

同一目标变量不允许有多个不同赋值表达式，或者说wire型变量不允许有多个驱动源。例如：

                assign  dout=a&b|c;

                assign  dout=e&f|d;

    上述表达方式是不对的。

assign语句主要用于描述组合电路，但如果信号有反馈，也会构成时序电路。

实验任务二

完成频率计的完整设计，并给出其测频时序波形及其分析。

32位二进制计数器的参考代码：

module cnt32(clk,en,rst,q);

input clk,en,rst;

output reg[31:0] q;

always@(posedge clk or posedge rst)

begin

       if(rst) q<=0;

       else if(en) q<=q+1;

end

endmodule

32位锁存器的参考代码：

module reg32(D,Q,load);

input[31:0] D;

input load;

output reg[31:0] Q;

always@(posedge load)

  Q<=D;

endmodule

8位16进制频率计整体设计如图所示，其仿真波形如图5所示：

注意：该设计中包括4个文件，分别为底层设计控制器control.v、计数器cnt32.v、锁存器reg32.v和顶层设计frequency.bdf，一定要确保这四个文件在同一个文件夹中，且文件夹不嵌套。

实验任务三：硬件验证频率计的功能。

建议选实验电路模式5验证频率计的功能，其中8个数码管以十六进制形式显示测频输出；待测频率输入FIN由clock0输入，频率可选4Hz、 256Hz、 3MHz‥‥‥50MHz等；1Hz测频控制信号CLK1Hz可由clock2输入（用跳线选1Hz）。编译下载后进行硬件测试。

实验总结与分析