FPGA学习篇之计数器
前言
在数字电路中计数是最基本的运算，计数器就是用来实现计数的电路。计数器可以对输入脉冲的个数进行计数，可以实现测量、定时、进行数字运算等功能，同时还能够对输入脉冲进行分频，输出低于输入脉冲频率的节拍脉冲。按计数器中的触发器是否同时翻转来分类，可以将计数器分为同步式计数器和异步式计数器；按计数器中数字的增减来分类，可以分为加法、减法和可逆计数器。
一、普通计数器
普通计数器是由加法器和寄存器，由于使用到了加法器，耗费的逻辑资源较多，普通计数器代码如下：
module counter(input clk_100m,input rst_n ); reg [3:0] cnt; always@(posedge clk_100m or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt <= 4'd0;elsecnt <= cnt + 1'b1; endmodule 1234567891011
二、环形计数器
将寄存器的输入与输出首位相接，便组成了环形计数器，如下图所示，环形计数器不能自启动，需要在复位的时候指定初始值。
module counter(input clk_100m,input rst_n ); //环形计数器 reg [3:0]cnt; always@(posedge clk_100m or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt <= 4'b0001;elsecnt <= {cnt[2:0],cnt[3]}; endmodule 12345678910111213
三、扭环形计数器（约翰逊计数器）
与环形计数器相比，扭环形计数器将最高位的反相输出接回了最低位的输入。扭环形计数器也不能自启动，需要在复位时指定初值。
module counter(input clk_100m,input rst_n ); //扭环形计数器 reg [3:0]cnt; always@(posedge clk_100m or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt <= 4'b0000;elsecnt <= {cnt[2:0],~cnt[3]}; endmodule 123456789101112
总结
普通计数器虽然可以用n个寄存器表示2^n个状态，但需要额外消耗一个加法器。环形计数器用n个寄存器可以表示n个状态，扭环形计数器可以用n个寄存器表示2n个状态，状态利用率相较于扭环形有所提高，另外扭环形计数器每次状态转换时只有一位触发器改变状态，因而在将电路状态译码时不会产生竞争-冒险现象。
