《专用集成电路设计基础》电路设计实验
实验1——简单状态机实验 （循环彩灯控制电路）
1、 电路功能
设计一套循环彩灯控制电路，要求：
（1） 共有16个彩色灯组，每只彩灯用一个控制信号控制器点亮和关闭（“1”——点
亮；“0”——关闭）； 注：彩灯排放顺序
D E F 0 1 2 C 3 B 4 A 9 8 7 6 6
（2） 彩灯闪烁频率可以通过编程进行控制； （3） 彩灯闪烁顺序及图案可以进行修改。 2、 电路设计
采用Verilog HDL硬件描述语言进行，用ModelSim EDA软件进行仿真。
（1） 彩灯控制电路设计：
//***** ASIC Exercise - 1 ***** //*** Counter + Decoder ***
//*** can be used to control colour lamps *** //*** colour lamps arrangement *** //******************* //*** d e f 0 1 2 *** //*** c 3 *** //*** b 4 *** //*** a 9 8 7 6 5 *** //*******************
module exercise_1 (reset,clk,load,data_in,
lamp_ctl);
//* input/output ports definition * input reset,clk,load; input [3:0] data_in;
output [15:0] lamp_ctl; reg [15:0] lamp_ctl;
//* in-circuit signals definition * wire ena;
reg [3:0] cnt1,cnt2; reg [15:0] lamp;
//* circuit RTL description *
//* 4-bit mode-16 counter with sync_data load* //* used as freq_divider *
always @(posedge reset or posedge clk) if (reset)
cnt1 <= 4'b0000; else if (load)
cnt1 <= data_in;
else if (cnt1 == 4'b1111) cnt1 <= data_in; else
cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
assign ena = &cnt1;
//* 4-bit mode-16 counter *
always @(posedge reset or posedge clk) if (reset)
cnt2 <= 4'b0000; else if (ena) begin
if (cnt2 == 4'b1111) cnt2 <= 4'b0000; else
cnt2 <= cnt2 + 1'b1; end
//* 4-16 decoder *
always @(reset or cnt2) begin
if (reset)
lamp = 16'h0000; else
case (cnt2)
4'b0000 : lamp = 16'b0000_0000_0000_0001; 4'b0001 : lamp = 16'b0000_0000_0000_0010; 4'b0010 : lamp = 16'b0000_0000_0000_0100; 4'b0011 : lamp = 16'b0000_0000_0000_1000; 4'b0100 : lamp = 16'b0000_0000_0001_0000; 4'b0101 : lamp = 16'b0000_0000_0010_0000; 4'b0110 : lamp = 16'b0000_0000_0100_0000; 4'b0111 : lamp = 16'b0000_0000_1000_0000; 4'b1000 : lamp = 16'b0000_0001_0000_0000; 4'b1001 : lamp = 16'b0000_0010_0000_0000; 4'b1010 : lamp = 16'b0000_0100_0000_0000; 4'b1011 : lamp = 16'b0000_1000_0000_0000; 4'b1100 : lamp = 16'b0001_0000_0000_0000; 4'b1101 : lamp = 16'b0010_0000_0000_0000; 4'b1110 : lamp = 16'b0100_0000_0000_0000; 4'b1111 : lamp = 16'b1000_0000_0000_0000; default : lamp = 16'b0000_0000_0000_0000; endcase end
//* latch the output control signal * always @(posedge reset or posedge clk) if (reset)
lamp_ctl <= 16'h0000; else
lamp_ctl <= lamp;
endmodule
（2） 测试向量设计：
//*** test bench ***
`timescale 1ns/1ps
module testbench ( );
//*** test signal definition *** reg t_reset,t_clk,t_load; reg [3:0] t_data_in; wire [15:0] lamp_show;
//*** test signal generation ***
//* t_reset *
//*** t_reset *** initial begin #0 t_reset = 1'b1; #2000 t_reset = 1'b0; end
//*** t_clk *** initial begin
t_clk = 1'b0; end
always #500 t_clk = ~t_clk;
//*** t_ena *** initial begin
#0 t_load = 1'b0; #2000 t_load = 1'b1; #3000 t_load = 1'b0; end
//* t_data_in * initial begin
#0 t_data_in = 4'b0000; #3000 t_data_in = 4'b1000; end
//*** connect with the circuit to be tested *** //*** use component instantiation statement ***
exercise_1 u0 (.reset(t_reset),.clk(t_clk),.load(t_load),.data_in(t_data_in), .lamp_ctl(lamp_show));
endmodule
3、 实验内容
（1） 详细分析实验电路的设计，明确电路结构及各个功能部件的功能，并在ModelSim
EDA软件环境下对其进行初步的仿真验证；
（2） 更改测试文件相关部分的数值，改变彩灯的闪烁频率（与系统时钟信号clk进行
比较）；
（3） 将0?1?2?3?……?E?F的顺时针点亮方式更改为F?E?……?2?1?0的逆
时针点亮方式；
方法1：将彩灯点亮顺序计数器改变为递减计数模式；
方法2：你能想到采用其他什么样的电路改进方法吗？试一试！！！
（4） 改变彩灯的显示方式，使你的彩灯点亮的与众不同！大胆尝试吧！！！
4、 实验报告中需要解答的问题
（1） 根据对实验电路的分析，绘制出彩灯控制电路详细的电路结构框图，并对每一
功能部件的功能及相关参数的意义进行说明；
（2） 采用Verilog HDL硬件描述语言设计一个具有上电异步复位，同步复位、同步置
数及技术允许控制的4-Bit递增计数器；
（3） 在上面计数器电路的基础上，说明分别实现模-4、模-9及模-13计数的方式与方
法；
（4） 将题（2）中的计数器更改为4-bit递减计数器；
（5） 说明实验中彩灯闪烁方式是如何进行更改的？改进后彩灯的显示效果是什么？