计数器是非常基本的使用，没有计数器就无法处理时序。我在学习时发现市面上有几种不同的计数器写法，非常有趣，在此记录下来：
一、时序逻辑和组合逻辑彻底分开
1.代码
1 //====================================================================== 2 // --- 名称 : Count_1 3 // --- 作者 : xianyu_FPGA 4 // --- 日期 : 2018-12-10 5 // --- 描述 : 模10计数器，0到10循环累加 6 //====================================================================== 7 8 module Count_1 9 ( 10 input clk , 11 input rst_n , 12 output reg [ 3:0] cnt 13 ); 14 15 //---------------------------------------------------------------------- 16 //-- 组合电路 17 //---------------------------------------------------------------------- 18 reg [ 3:0] cnt_n ; 19 20 always @(*)begin 21 if(cnt == 4'd9) 22 cnt_n = 4'd0; 23 else 24 cnt_n = cnt + 1'b1; 25 end 26 27 //---------------------------------------------------------------------- 28 //-- 时序电路 29 //---------------------------------------------------------------------- 30 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 31 if(!rst_n) 32 cnt <= 4'b0; 33 else 34 cnt <= cnt_n; 35 end 36 37 endmodule 38 39 /* 40 //---------------------------------------------------------------------- 41 //-- 组合电路也可以这样写 42 //---------------------------------------------------------------------- 43 wire [ 3:0] cnt_n ; 44 45 assign cnt_n = (cnt==4'd9)? 4'd0 : cnt+1'b1; 46 47 */
2.写法1的RTL视图
3.写法2的RTL视图
二、最常见的写法
1.代码
1 //====================================================================== 2 // --- 名称 : Count_2 3 // --- 作者 : xianyu_FPGA 4 // --- 日期 : 2018-12-10 5 // --- 描述 : 模10计数器，0到10循环累加 6 //====================================================================== 7 8 module Count_2 9 ( 10 input clk , 11 input rst_n , 12 output reg [ 3:0] cnt 13 ); 14 15 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 16 if(!rst_n) 17 cnt <= 4'd0; 18 else if(cnt==4'd9) 19 cnt <= 4'd0; 20 else 21 cnt <= cnt + 1'b1; 22 end 23 24 25 26 endmodule
2.RTL视图
三.代码片段写法
1.代码
1 //====================================================================== 2 // --- 名称 : Count_3 3 // --- 作者 : xianyu_FPGA 4 // --- 日期 : 2018-12-10 5 // --- 描述 : 模10计数器，0到10循环累加 6 //====================================================================== 7 8 module Count_3 9 //---------------------<端口声明>--------------------------------------- 10 ( 11 input clk , 12 input rst_n , 13 output reg [ 3:0] cnt 14 ); 15 //---------------------<信号定义>--------------------------------------- 16 wire add_cnt ; 17 wire end_cnt ; 18 19 //---------------------------------------------------------------------- 20 //-- 0-9计数 21 //---------------------------------------------------------------------- 22 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 23 if(!rst_n) 24 cnt <= 'd0; 25 else if(add_cnt)begin 26 if(end_cnt) 27 cnt <= 'd0; 28 else 29 cnt <= cnt + 1'b1; 30 end 31 else 32 cnt <= cnt; 33 end 34 35 assign add_cnt = 1; 36 assign end_cnt = add_cnt && cnt==10-1; 37 38 39 40 41 endmodule
2.RTL视图
四、自减计数器（较少用到）
1.代码
1 //====================================================================== 2 // --- 名称 : Count_4 3 // --- 作者 : xianyu_FPGA 4 // --- 日期 : 2018-12-19 5 // --- 描述 : 模10自减计数器，10到0循环累减 6 //====================================================================== 7 8 module Count_4 9 //---------------------<端口声明>--------------------------------------- 10 ( 11 input clk , 12 input rst_n , 13 output reg [ 3:0] cnt 14 ); 15 //---------------------<参数定义>--------------------------------------- 16 parameter CNT_MAX = 10 , 17 18 //---------------------------------------------------------------------- 19 //-- 10到0循环累减 20 //---------------------------------------------------------------------- 21 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 22 if(!rst_n) begin 23 cnt <= 0; 24 end 25 else if(cnt==0) begin 26 cnt <= CNT_MAX; 27 end 28 else begin 29 cnt <= cnt - 1; 30 end 31 end 32 33 34 endmodule
2.RTL视图
3.仿真波形
五、新学到的一种非常简洁的计数器
本以为计数器就是这样了，近来学习开源骚客《SDRAM那些事儿》系列教程，又发现一种新的写法，对于特定功能的实现上非常简洁。
要求：
现在对 OV5640 摄像头进行上电控制，由数据手册得到上电控制的时序图如下所示，用Verilog代码实现其波形。
1、代码片段法
代码片段法还是比较好用的，我平时用的最多，要实现这个时序图，我肯定会这样写：
1 module power_ctrl 2 //========================< 端口 >========================================== 3 ( 4 //system -------------------------------------------- 5 input wire clk , // 50MHz 6 input wire rst_n , 7 //ov5640 -------------------------------------------- 8 output reg ov5640_pwdn , // ov5640上电 9 output reg ov5640_rst_n , // ov5640复位 10 output reg power_done // power_ctrl全面有效，SCCB可以开始工作 11 ); 12 //========================< 参数 >========================================== 13 localparam T2_6MS = 30_0000 ; // T2>5ms 14 localparam T3_2MS = 10_0000 ; // T3>1ms 15 localparam T4_21MS = 105_0000 ; // T4>20ms 16 //========================< 信号 >========================================== 17 reg [18:0] cnt_6ms ; 18 wire add_cnt_6ms ; 19 wire end_cnt_6ms ; 20 reg [16:0] cnt_2ms ; 21 wire add_cnt_2ms ; 22 wire end_cnt_2ms ; 23 reg [20:0] cnt_21ms ; 24 wire add_cnt_21ms ; 25 wire end_cnt_21ms ; 26 27 //========================================================================== 28 //== ov5640_pwdn 29 //========================================================================== 30 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 31 if(!rst_n) 32 cnt_6ms <= 'd0; 33 else if(add_cnt_6ms) begin 34 if(end_cnt_6ms) 35 cnt_6ms <= 'd0; 36 else 37 cnt_6ms <= cnt_6ms + 1; 38 end 39 end 40 41 assign add_cnt_6ms = ov5640_pwdn == 1'b1; 42 assign end_cnt_6ms = add_cnt_6ms && cnt_6ms== T2_6MS-1; 43 44 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 45 if(!rst_n) begin 46 ov5640_pwdn <= 1'b1; 47 end 48 else if(end_cnt_6ms) begin 49 ov5640_pwdn <= 1'b0; 50 end 51 end 52 53 //========================================================================== 54 //== ov5640_rst_n 55 //========================================================================== 56 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 57 if(!rst_n) 58 cnt_2ms <= 'd0; 59 else if(add_cnt_2ms) begin 60 if(end_cnt_2ms) 61 cnt_2ms <= 'd0; 62 else 63 cnt_2ms <= cnt_2ms + 1'b1; 64 end 65 end 66 67 assign add_cnt_2ms = ov5640_rst_n == 1'b0 && ov5640_pwdn == 1'b0; 68 assign end_cnt_2ms = add_cnt_2ms && cnt_2ms== T3_2MS-1; 69 70 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 71 if(!rst_n) begin 72 ov5640_rst_n <= 1'b0; 73 end 74 else if(end_cnt_2ms) begin 75 ov5640_rst_n <= 1'b1; 76 end 77 end 78 79 //========================================================================== 80 //== power_done 81 //========================================================================== 82 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 83 if(!rst_n) 84 cnt_21ms <= 'd0; 85 else if(add_cnt_21ms) begin 86 if(end_cnt_21ms) 87 cnt_21ms <= 'd0; 88 else 89 cnt_21ms <= cnt_21ms + 1'b1; 90 end 91 end 92 93 assign add_cnt_21ms = power_done == 1'b0 && ov5640_rst_n == 1'b1; 94 assign end_cnt_21ms = add_cnt_21ms && cnt_21ms== T4_21MS-1; 95 96 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 97 if(!rst_n) begin 98 power_done <= 1'b0; 99 end 100 else if(end_cnt_21ms) begin 101 power_done <= 1'b1; 102 end 103 end 104 105 106 107 endmodule
可以看到代码还是不复杂的，条理也比较清晰，仿真后得到如下波形，和时序图一致，设计正确。
2、简洁计数器（by 开源骚客）
开源骚客实现这段时序时也是采用计数器，可是代码却非常简洁！他的写法如下：
1 module power_ctrl 2 //========================< 端口 >========================================== 3 ( 4 //system -------------------------------------------- 5 input wire clk , // 50MHz 6 input wire rst_n , 7 //ov5640 -------------------------------------------- 8 output wire ov5640_pwdn , // ov5640上电 9 output wire ov5640_rst_n , // ov5640复位 10 output wire power_done // power_ctrl全面有效，SCCB可以开始工作 11 ); 12 //========================< 参数 >========================================== 13 localparam T2_6MS = 30_0000 ; // T2>5ms 14 localparam T3_2MS = 10_0000 ; // T3>1ms 15 localparam T4_21MS = 105_0000 ; // T4>20ms 16 //========================< 信号 >========================================== 17 reg [18:0] cnt_6ms ; 18 reg [16:0] cnt_2ms ; 19 reg [20:0] cnt_21ms ; 20 21 //========================================================================== 22 //== ov5640_pwdn 23 //========================================================================== 24 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 25 if(!rst_n) begin 26 cnt_6ms <= 'd0; 27 end 28 else if(ov5640_pwdn == 1'b1) begin 29 cnt_6ms <= cnt_6ms + 1'b1; 30 end 31 end 32 33 assign ov5640_pwdn = (cnt_6ms >= T2_6MS) ? 1'b0 : 1'b1; 34 35 //========================================================================== 36 //== ov5640_rst_n 37 //========================================================================== 38 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 39 if(!rst_n) begin 40 cnt_2ms <= 'd0; 41 end 42 else if(ov5640_rst_n == 1'b0 && ov5640_pwdn == 1'b0) begin 43 cnt_2ms <= cnt_2ms + 1'b1; 44 end 45 end 46 47 assign ov5640_rst_n = (cnt_2ms >= T3_2MS) ? 1'b1 : 1'b0; 48 49 //========================================================================== 50 //== power_done 51 //========================================================================== 52 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 53 if(!rst_n) begin 54 cnt_21ms <= 'd0; 55 end 56 else if(power_done == 1'b0 && ov5640_rst_n == 1'b1) begin 57 cnt_21ms <= cnt_21ms + 1'b1; 58 end 59 end 60 61 62 assign power_done = (cnt_21ms >= T4_21MS) ? 1'b1 : 1'b0; 63 64 65 66 endmodule
可以看到，代码非常简洁且条理清晰，比我自己的写法要省很多代码。同样对其仿真得到如下波形，和时序图一致，也设计正确。
由两个仿真波形图可以发现，我自己的写法是计数器计满了就清0，大多时候计数器也确实是这样用的。而开源骚客的计数器是计数器和信号配合产生，计满了就保持，写法非常简洁！在设计简单时序时，这种计数器思路非常受用。看来计数器虽然简单，但是里面包含的学问可真不少啊。
参考资料：
[1]锆石科技FPGA教程
[2]小梅哥FPGA教程
[3]明德扬FPGA教程
[4]开源骚客《SDRAM那些事儿》