m基于FPGA的电子钟verilog实现,可设置闹钟,包含testbench测试文件

1.算法仿真效果

本系统进行Vivado2019.2平台的开发，测试结果如下所示：

2.算法涉及理论知识概要

电子钟是现代生活中常见的计时工具，其准确性和功能性不断提高。基于FPGA的电子钟设计不仅具有灵活的可定制性，还能通过集成其他功能（如闹钟）来增强实用性。Verilog作为一种广泛使用的硬件描述语言，为FPGA设计提供了强大的描述和仿真能力。FPGA是一种可通过编程配置实现特定功能的集成电路。它由可配置逻辑块（CLB）、输入输出块（IOB）和可编程互连资源组成。Verilog则是一种用于描述数字系统和模拟其行为的硬件描述语言。

2.1 电子钟的计时原理

电子钟的核心是一个计时器，通常由振荡器、分频器和计数器组成。振荡器产生稳定的频率信号，分频器将频率降低到合适的水平以供计数器使用。计数器则根据分频后的信号进行累加，实现时间的计量。

在电子钟设计中，通常需要多个计数器来分别计量小时、分钟和秒。这些计数器之间的关系可以通过模运算来描述。例如，秒计数器每累计到60就归零，并触发分钟计数器加1。

2.2 时间显示方式

电子钟的时间显示通常采用2个十进制格式。

2.3 闹钟设置与触发机制

闹钟功能的实现需要额外的存储器和比较器。存储器用于保存用户设置的闹钟时间，比较器则不断比较当前时间和闹钟时间。当两者相等时，触发闹钟信号。

数学上，闹钟触发可以表示为一个条件判断：

(A = B)

其中，(A) 是当前时间，(B) 是设置的闹钟时间。当等式成立时，输出闹钟信号。

在实际设计中，由于时间信号是连续变化的，而闹钟设置是静态的，因此需要使用边缘触发或定时检查的方式来检测时间匹配条件。

3.Verilog核心程序

`timescale 1ns / 1ps

module TEST();

reg i_clk;                 // 输入时钟

reg i_rst;                // 异步复位信号

reg i_time_set;            // 时间设置使能信号

reg [3:0] i_set_miao01;  // 设置的秒的个位

reg [3:0] i_set_miao10;  // 设置的秒的十位

reg [3:0] i_set_fen01;    // 设置的分的个位

reg [3:0] i_set_fen10; // 设置的分的十位

reg [3:0] i_set_shi01;    // 设置的时的个位

reg [3:0] i_set_shi10; // 设置的时的十位

reg i_set_clock;           // 闹钟设置使能信号  

reg [3:0] i_clock_fen01;  // 闹钟设置的分的个位

reg [3:0] i_clock_fen10;  // 闹钟设置的分的十位

reg [3:0] i_clock_shi01;  // 闹钟设置的时的个位

reg [3:0] i_clock_shi10;  // 闹钟设置的时的十位

wire o_clock_flager;    // 闹钟标志输出，当时间匹配时为高电平

wire [3:0] o_miao01;       // 输出的秒的个位

wire [3:0] o_miao10;       // 输出的秒的十位

wire [3:0] o_fen01;        // 输出的分的个位

wire [3:0] o_fen10;        // 输出的分的十位

wire [3:0] o_shi01;        // 输出的时的个位

wire [3:0] o_shi10;         // 输出的时的十位

tops tops_u(

.i_clk          (i_clk),                 // 输入时钟

.i_rst          (i_rst),                 // 异步复位信号

.i_time_set     (i_time_set),            // 时间设置使能信号

.i_set_miao01   (i_set_miao01),   // 设置的秒的个位

.i_set_miao10   (i_set_miao10),   // 设置的秒的十位

.i_set_fen01    (i_set_fen01),    // 设置的分的个位

.i_set_fen10    (i_set_fen10), // 设置的分的十位

.i_set_shi01    (i_set_shi01),    // 设置的时的个位

.i_set_shi10    (i_set_shi10), // 设置的时的十位

.i_set_clock    (i_set_clock),           // 闹钟设置使能信号  

.i_clock_fen01  (i_clock_fen01),  // 闹钟设置的分的个位

.i_clock_fen10  (i_clock_fen10),  // 闹钟设置的分的十位

.i_clock_shi01  (i_clock_shi01),  // 闹钟设置的时的个位

.i_clock_shi10  (i_clock_shi10),  // 闹钟设置的时的十位

.o_clock_flager (o_clock_flager),    // 闹钟标志输出，当时间匹配时为高电平

.o_miao01       (o_miao01),       // 输出的秒的个位

.o_miao10       (o_miao10),       // 输出的秒的十位

.o_fen01        (o_fen01),        // 输出的分的个位

.o_fen10        (o_fen10),        // 输出的分的十位

.o_shi01        (o_shi01),        // 输出的时的个位

.o_shi10        (o_shi10)        // 输出的时的十位

);

always #5 i_clk = !i_clk;

initial begin

i_clk  = 1’b1;

i_rst = 1’b1;

#1000

i_rst = 1’b0;

end

initial begin

i_time_set  = 1’b0;

i_set_miao01 = 4’d0;

i_set_miao10 = 4’d0;

i_set_fen01 = 4’d0;

i_set_fen10 = 4’d0;

i_set_shi01 = 4’d0;

i_set_shi10 = 4’d0;  

end

initial begin

i_set_clock  = 1’b0;

i_clock_fen01 = 4’d0;

i_clock_fen10 = 4’d0;

i_clock_shi01 = 4’d0;

i_clock_shi10 = 4’d0;

#1000

i_set_clock   = 1’b1;//闹钟设置为15点40分

i_clock_fen01 = 4’d0;

i_clock_fen10 = 4’d4;

i_clock_shi01 = 4’d5;

i_clock_shi10 = 4’d1;

end

endmodule