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西南科技大学
实验报告
课程名称：基于FPGA的现代数字系统设计
实验名称：基于HDL十进制计数、显示系统设计姓名：
学号:
班级：通信1301
指导教师：桂华
西南科技大学信息工程学院制
基于HDL十进制计数、显示系统设计
一、实验目的
1、掌握基于语言的 ISE 设计全流程；
2、熟悉、应用 VerilogHDL描述数字电路；
3、掌握基于 Verilog的组合和时序逻辑电路的设计方法；
4、掌握 chipscope 片逻辑分析仪的使用与调试方法。
二、实验原理
1、实验容：设计具有异步复位、同步使能的十进制计数器，其计数结果
可以通过七段数码管、发光二极管等进行显示。
2、模块端口信号说明：
输入信号：
Clk_50m ---系统采样时钟
clk -------待计数的时钟
clr ---------异步清零信号，当 clr=0，输出复位为 0，当
clr=1，正常计数
ena---------使能控制信号，当 ena=1，电路正常累加计数，否
则电路不工作
输出信号：
q[6：0]---------驱动数码管，显示计数值的个位
cout -----------1bit 数据，显示计数值向十位的进位
COM-----------共阳级数码管,公共端（接地，参考开发板原理图
3、以自顶向下的设计思路进行模块划分：
整个系统主要设计的模块是：十进制计数模块和数码管驱动模块，由于实验板的按键为实现硬件防抖，则需要将按键输入的时钟 clk，先通过消抖模块消抖后，再输出至后续使用。
1）十进制计数器模块设计
输入: CLK -------待计数的时钟
CLR ---------异步清零信号，当 CLR =0，输出复位为0，当 CLR =1，正常计数。
EN---------使能控制信号，当 EN=1，电路正常累加计数，否则电路不工作
输出： SUM[3:0]---------- 计数值的个位。即，在 CLK 上升沿检测到
SUM=9 时，SUM 将被置 0，开始新一轮的计数。
tc ------------计数值的十位进位，即：只有在时钟 CLK 上升沿检测到 SUM=9 时，TC将被置 1，其余情况下 TC=0;
在设计中可以使用always， if-else-if语句实现，设计中注意不要在两个以上的always 模块中对同一个变量进行赋值，否则会产生多重赋值源（multi-source）的问题。
2）数码管显示驱动模块（led.v）输入：input4[3:0] -------待显示的数值输出：out7[6:0] ----------驱动数码管的七位数值（注意下表中 out 的对应位）
9 1 0 0 1 0 0 0 0
A 1 0 1 0 0 0 0 1 b 1 0 1 1 1 1 0 0 C 1 1 0 0 0 1 1 0 d 1 1 0 1 1 0 0 0
E 1 1 1 0 0 1 1 0
F 1 1 1 1 0 1 1 1 3）消抖模块（1）按键抖动的产生原因：通常的按键所用开关为机
械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一
个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象
而作的措施就是按键消抖。
（2）本次实验提供的消抖模块简介
电平检查模块：检测输入的按键是否被按下或者释放，并分别将
H2L_Sig,L2H_Sig拉高，并随后拉低，给出按键的操作信息。延时模块：
对输入的信号变化时刻进行计时并观察信号的变换情况，对输出端口进行
恰当地赋值实验资料中将给出消抖模块设计源代码。对模块的具体设计
细节不需理解，消抖模块不要求仿真
三、实验步骤
1、创建工程。
为工程，为工程命名、指定存储路径个文件夹。
2、计数器及数码管驱动模块设计
创建VHD模块文件，对各个模块进行设计
（1）计数器模块代码编写
modulet10(clk,clr,en,sum,tc
);
input clk,clr,en;
output reg [3:0] sum;output tc;
assign tc=(sum==4'b1111);
always (posedge clk ,negedge clr)
begin
if(~clr) sum<=4'b0000;
else if(en) begin sum=sum+1'b1;
if(sum==4b'1010) sum<=4b'0000; end
else sum<=sum;
end
endmodule
（2）数码管驱动模块代码编写
module led(
input [3:0] input4,
);
always (input4)
begin
case(input4)
4'd0:out7=7'h01;
4'd1:out7=7'h4f;
4'd2:out7=7'h12;
4'd3:out7=7'h06;
4'd4:out7=7'h46;
4'd5:out7=7'h24;
4'd6:out7=7'h20;
4'd7:out7=7'h0f;
4'd8:out7=7'h00;
4'd9:out7=7'h04;
default out7=7'h0;
endcase
end
endmodule
（3）c nt10与led模块的组合
module top_2(clk,clr,ena,tc,out7);
input clk,clr,ena;
output tc;
wire [3:0] sum;
cnt10t(clk,clr,ena,sum,tc);
led led1(sum,out7);
endmodule
（4）综合仿真
首先对计数器和数码管驱动两个模块进行综合，无误后编写测试激励文件，进行仿真。激励文件及仿真结果如下：
得到正确的仿真图形后进行这两个模块组合的综合，创建激励文件，进行仿真。激励文件与仿真结果如下：
3、拷贝消抖模块代码：debounce_module.v，delay_module.v，
detect_module.v，组合完成消抖模块。
4、将消抖模块，十进制计数器(cnt10.v)，数码管驱动模块(led.v)组合
为一个系统。编写代码如下：
module seg_top(clk_50M,clk,clr,ena,out,cout,);
input clk_50M,clk,clr,ena;
output ,cout;
output [6:0] out;
wire clk_out;
assign =0;
debounce_module u3(clk_50M,clr,clk,clk_out);
top_2 top2(clk_out, clr,ena,cout,out);
endmodule
然后进行顶层综合。
5、引脚锁定
根据引脚锁定表，编写约束文件，如下：
6、综合报告
阅读综合结果报告，记录其中关于时钟频率、资源消耗等关键数据如下：
7、顶层模块完成后，双击 Implement Design，进行布局布线，双击
Generate Programming File 生成下载文件，双击 Configure Target Device，按照提示完成下载。
8、下载后，改变拨动开关和按键，观察结果。
9、使用 chipscope 片逻辑分析仪对设计进行硬件调试，验证设计是否正
确。掌握该调试方法和调试步骤。
四、实验结果及分析
1、对计数器时序图分析：
当clr为低电平时（复位信号采用低电平有效），计数器输出0000，当clk, en（高电平有效）为高电平时，计数器开始正常计数，时钟
信号每来一个上升沿，sum输出端口从0000增加到1001，进位tc变
为为1，再来一个上升沿后，tc变为0，sum又从0000开始计时。显
然时序图符合预期功能，故功能仿真正确。
2、对数码管驱动时序图分析：
当输入信号从0000变化到1001时，输出信号对应于数码管真值表中输出的变化。显然功能仿真正确。
3、对数码管驱动与计数器的组合模块时序图分析：
当输入复位信号en为高电平,clr 为高电平时，每来一个时钟信号，输出out7也变化一次，且变化与数码管驱动真值表中输入从一到十变化时的输出变化一致。功能仿真真确。
五、实验思考题解答(实验指导书要求的思考题)
1、如何用两个或一个 always 实现十进制计数模块？写出相应代码。
modulet10(clk,clr,en,sum,tc );
input clk,clr,en;
output reg [3:0] sum;output tc;
assign tc=(sum==4'b1111);
always (posedge clk ,negedge clr)
begin
if(~clr) sum<=4'b0000;
else if(en) begin sum=sum+1'b1;
if(sum==4b'1010) sum<=4b'0000; end
else sum<=sum;
end
endmodule
2、如何用always，或 assign实现数码管的驱动设计？写出相应代码。
module led(
input [3:0] input4,
output reg [6:0] out7
);
always (input4)
begin
case(input4)
4'd0:out7=7'h01;
4'd1:out7=7'h4f;
4'd2:out7=7'h12;
4'd3:out7=7'h06;
4'd4:out7=7'h46;
4'd5:out7=7'h24;
4'd6:out7=7'h20;
4'd7:out7=7'h0f;
4'd8:out7=7'h00;
4'd9:out7=7'h04;
default out7=7'h0;
endcase
end
endmodule
3、比较实验一与实验二的实验过程，说明原理图输入法与 HDL输入法
的不同的应用环境。
实验一中应用的是原理图完成十进制计数器的数显，工作量相对
较大，需要绘制8原理图，其中还不包扩消抖模块。所以原理图设计
适合相对简单的电路，门电路较少的电路。而实验二应用HDL语言描
述要完成的功能，对于较复杂的电路设计起来相对简单，所以HDL语
言设计比较复杂的电路。门电路很多的电路。
4、CHIPSCOPE 调试和仿真有何区别？
modelsim是写好代码后，对设计的功能进行全面的仿真，检查设计中
的问题，不涉及FPGA硬件
chipscope是个调试阶段的调试工具，只能检查局部，部分"出问题
“的地方的检验，必须涉及FPGA硬件
六、体会
1、实验过程中对verrilog语言有了进一步的熟悉，对ISE设计流程有了
更深入的理解与认识。
2、Verilog 硬件描述语言和c语言或其他编程语言有着一些相似的地
方，但是也存在很大差异。在实验过程中，由于把其他编程语言的语句或习惯也写进了设计中，导致多次出错。所以还需要多做练习来很好地区分和熟
悉verilog 语言。
3、通过实验，对时序电路的编写设计有了初步认知，对其基本步步骤有
了基本的掌握，同时也感受到了流程级建模和行为级建模的综合使用的灵活性。比如，将进位信号写在always语句之外显得很方便。
4、对于功能仿真要考虑到仿真的完备性，比如在设计时钟周期与仿真时
间长度时，至少应该让设计进行一个完整的功能周期（考虑到所有情况），
这样才能避免没有检查出存在的错误。