12-hour clock using six BCD digits

本文最后更新于：Tuesday, October 6th 2020, 11:32 am

problem link：https://hdlbits.01xz.net/wiki/Count_clock

Background

时钟是每个人每天都会用到的工具，那怎么用电子电路搭建一个12-hour(带有am/pm指示)的时钟呢？

Problem description

选择一系列合适的计数器。你的计数器统一被快时钟(fast-running clock)驱动, 还带有一个脉冲使能输入，该脉冲会在任何需要时钟加1的时候到来（i.e.，每秒来一次)

  • reset：重置时钟到12：00：00 AM
  • pm is 0 for AM and 1 for PM
  • hh:mm:ss：都各自代表两位BCD(用四位二进制表达一位十进制)数；
  • hh(hours)：01-12；mm(minutes)：00-59；ss(seconds)：00-59
  • reset比enable有更高的权限，即使在使能信号无效的时候也可以值位。
  • 👇：从11:59:59 AM 到12:00:00 PM翻转和同步复位，使能的行为。

mark

Hint：Note that 11:59:59 PM(晚上转钟) advances to 12:00:00 AM, and 12:59:59 PM（中午快1点了) advances to 01:00:00 PM. There is no 00:00:00.

Template

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
// Module Declaration
module top_module(
    input clk,
    input reset,
    input ena,
    output pm,
    output [7:0] hh,
    output [7:0] mm,
    output [7:0] ss); 
   
endmodule

Answer

① 1位BCD计数器

  1. 复位到0：为分钟，秒计数器服务

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    /************** 1位BCD计数器,复位到0;实现0-9的循环 ***************/
    module bcdreset0 (
        input clk,
        input reset,        // Synchronous active-high reset
        input enable,
        output [3:0] q);
        always @ (posedge clk) begin
            if(reset) q <= 4'h0;
            else if(!enable) q <= q;
            else if(q == 4'h9) q <= 4'h0;
            	else q <= q + 4'h1;
        end
    endmodule

  2. 复位到2：为小时低位服务(x->2)[⭐此处有特殊情况]

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    /************************* 1位BCD计数器，复位到2；实现0-9的循环 *************************/
    /************** 个位为2时：当高位为1，下一次应该是1；但是当高位为0，下一次为3 **************/
    module bcdreset2 (
        input clk,
        input reset,        // Synchronous active-high reset
        input flag,			// 指示当前为特殊情况，即为12的时候
        input enable,
        output [3:0] q);
        always @ (posedge clk) begin
            if(reset) q <= 4'h2;
            else if(!enable) q <= q;
            	else if(flag) q <= 4'h1;				// 特殊情况
     				else if(q == 4'h9) q <= 4'h0;
           				else q <= q + 4'h1;
        end
    endmodule

  3. 复位到1：为小时高位服务(x->1)[⭐此处有特殊情况]

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    /*********** 1位BCD计数器，复位到2；实现0-1的循环 *************/
    /*********** 每次使能到来，小时高位要么从0->1；要么从1->0;逻辑对应代码第11行***********/
    module bcd_zero_one(
        input clk,
        input reset,
        input enable,
        output [3:0] q);
        always @ (posedge clk) begin
            if (reset) q <= 4'h1;   	// (复位为12； 高位为1）
            else if (!enable) q <= q;
            	else q[0] <= ~q[0]; 	// 0变为1，1变为0(0000->0001)
        end
    endmodule

    ② 两位BCD计数器

  4. 秒，分钟计数器：实现0-59循环；复位为0

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    /**************** 两位BCD(8-bit)数表示0-59 ;循环到59时能不能下一个计数到0 **************/
    module zero2fifty_nine(
        input clk,
        input reset,
        input ena,
        output [7:0] ss);
        wire ena_ten, reset_ten;
        assign reset_ten = (((ss == 8'h59) & ena) | reset)? 1'd1:1'd0;⭐// 当计数到59且下一个使能到来时，把高位置为到0；因为低位肯定回到0;如果不reset，那么肯定为60
        assign ena_ten = ((ss[3:0] == 4'h9) & ena)?1'd1:1'd0;	⭐	    // 个位到9(重点:必须使能到来)才能使能十位(假设现在为29分:00秒,分钟的十位使能必须在60s后才会到来;但是不并上使能,那么下一秒将是39分:01秒
        decade_counter one (clk, reset, ena, ss[3:0]);					// 4位二进制表示个位的0-9
        decade_counter ten (clk, reset_ten, ena_ten, ss[7:4]);			// 4位二进制表示十位的0-9
    endmodule

  5. 小时计数器：实现1-12循环，复位为12

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    /************* 两位BCD(8-bit)数表示1-12;循环到12时能不能下一个计数到1 ***************/
    /* ⭐(flag12) 小时个位为2时：当高位为1(12)，下一次应该是1；但是当高位为0(02)，下一次为3  */
    module one2twelve(
        input clk,
        input reset,
        input ena,
        output [7:0] hh);
        wire ena_ten, flag12;
        assign ena_ten = (ena & ((hh == 8'h9)|(hh == 8'h12)))? 1'd1:1'd0;					// 小时高位的改变信号(09->10;12->01)
        assign flag12 = (hh == 8'h12);														// 指示当前为12
        BCDreset2 one (clk, reset, flag12, ena, hh[3:0]);									// 4位二进制表示个位的0-9
        BCDzero_one ten (clk, reset, ena_ten, hh[7:4]); 									// 4位二进制表示十位的0-1
    endmodule

    ③ 实例化三个②

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
module top_module(
    input clk,
    input reset,
    input ena,
    output pm,
    output [7:0] hh,
    output [7:0] mm,
    output [7:0] ss); 
	wire ena_hr, ena_min, ena_pm;
    one2twelve hour (clk, reset, ena_hr, hh);
    zero2fifty_nine minite(clk, reset, ena_min, mm);					
    zero2fifty_nine second(clk, reset, ena, ss);
    assign ena_min = (ss==8'h59)?1'd1:1'd0;								// 当59s时才使能分钟计数器;
    assign ena_hr = ((mm == 8'h59) & (ss == 8'h59))? 1'd1: 1'd0;		// 当59分59s才使能小时计数器
    assign ena_pm = ena_hr & (hh == 8'h11);						  		// 当11时59分59s才能改变pm⭐
    always @ (posedge clk) begin
        if (reset) pm <= 1'd0;
        else if(ena_pm) pm <= ~pm;   									// 每当时钟转到11:59:59pm都会变换一次
        	else pm <= pm;
    end
endmodule
Digital IC HDL Bits
circuits

本博客所有文章除特别声明外，均采用 CC BY-SA 3.0协议 。转载请注明出处！