實驗六：數碼管模組

有關數碼管的驅動，想必讀者已經學爛了 ... 不過，作為學習的新儀式，再爛的東西也要溫故知新，不然學習就會不健全。黑金開發板上的數碼管資源，由始至終都沒有改變過，筆者因此由身懷念。為了點亮多位數碼管從而顯示數字，一般都會採用動態掃描，然而有關動態掃描的資訊請怒筆者不再重複。在此，同樣也是動態掃描，但我們卻用不同的思路去理解。

圖6.1 6位數碼管。

如圖6.1所示，哪裡有一排6位數碼管，其中包好8位DIG訊號還有6位SEL訊號。DIG為digit，即俗稱的數碼管碼，如果數碼管預要顯示“A”，那麼DIG必須輸入“A”的數碼管碼。SEL為select，即俗稱的位選，從左至右即SEL[0]~SEL[5]，如果想要使能第一位最左邊的數碼管，SEL[0]必須設定有效位。不管DIG還是SEL，黑金開發板都是拉低有效，亦即0值表示有效位。

圖6.2 訊號DIG與數碼管碼。

DIG訊號位寬為8，亦即一個數碼管資源內藏8個LED，8位DIG訊號分別表示各個LED，結果如圖6.2所示。除了DIG[7]較為少用以外，DIG[0]~[6] 一般都用來顯示十六進位制的數字 0~F。筆者在此強調，黑金開發板所採用的數碼管是拉低有效，亦即點亮LED筆者設定為0。為此，十六進位制的數字0~F可以用Verilog這樣表示，如程式碼6.1所示：

1.         parameter     _0 = 8'b1100_0000, _1 = 8'b1111_1001, _2 = 8'b1010_0100, 

2.                        _3 = 8'b1011_0000, _4 = 8'b1001_1001, _5 = 8'
 
b1001_0010, 

3.                      _6 = 8'b1000_0010, _7 = 8'b1111_1000, _8 = 8'b1000_0000,

4.                      _9 = 8'b1001_0000, _A = 8'b1000_1000, _B = 8'b1000_0011,

5.                      _C = 8'b1100_0110, _D = 8'b1010_0001, _E = 8'b1000_0110,

6.                      _F = 8'b1000_1110;

程式碼6.1

如程式碼6.1所示，筆者用常量宣告16個16進位制的數字。

圖6.3 16進位制數字的數碼管碼（拉低有效）。

為了方便讀者，筆者也順便繪製一張直觀的示意圖 ... 如圖6.3所示，哪裡有16個16進位制數字以及相關的數碼管碼。理解DIG訊號與數碼管碼的關係以後，接下來筆者會解釋SEL訊號與數碼管的關係。

圖6.4 訊號SEL與數碼管碼。

如圖6.4所示，我們可以看見SEL訊號與數碼管的關係，每當SEL為值不同，相關的數碼管就會顯示數字，例如SEL為值6’b111_110，最左邊的數碼管就會顯示數字；SEL為值6’b011_111，最右邊的數碼管就會顯示數字。如何實現自左向右輪流顯示數字，就是將 6’b111_110 其中的“0值”按間隔向左位移即可，這也是動態掃描最基本的理論。

圖6.5 流水燈的理想時序圖（腦補）。

例如實驗一的流水燈實驗，流水操作負責輪流點亮4位1組的LED資源。假設流水間隔是一個時鐘，如圖6.5所示，LED訊號分別在T0~T3之間輸出4’b0001，4’b0010，4’b0100，4’b10000，上述行為重複N次以後便產生流水效果。Verilog 則可以這樣描述，結果如程式碼6.2所示：

1.        case( i )

2.    

3.            0：

4.            begin LED <= 4’b0001； i <= i + 1’b1; end

5.            1：

6.            begin LED <= 4’b0010； i <= i + 1’b1; end

7.            2：

8.            begin LED <= 4’b0100； i <= i + 1’b1; end

9.            3：

10.            begin LED <= 4’b1000； i <= 4’d0; end

11.    

12.        endcase

程式碼6.2

如程式碼6.2所示， 相較實驗一的內容，步驟0~3也是實現流水效果，不過步驟0~3卻沒有考慮每個步驟所保持的時間，亦即流水間隔僅有一個時鐘而已。

圖6.6 數碼管顯示數字的例子。

相較實驗一的流水燈實驗，動態掃描就是功能稍微複雜一點的流水等而已，SEL訊號類似LED訊號，不過不是點亮LED而是負責位選工作，換之DIG訊號則是顯示內容。

如圖6.6所示，假設筆者想要顯示上述的結果，即自左向右輪流顯示數字0~5，其中DIG訊號負責數字0~5等資訊，至於數字的顯示次序則是SIG訊號負責。

圖6.7 自左向右顯示數字0~5的理想時序圖（腦補）。

假設流水間隔亦然是1個時鐘，為了自左向右輪流顯示數字“012345”，每個時鐘的SEL（位選）資訊，必須對應有效的DIG內容（數碼管碼），結果如圖6.6所示。時序發生過程如下：

T0的時候，DIG傳送未來值8’b1100_0000，SEL傳送未來值6’b111_110;

T1的時候，DIG傳送未來值8’b1111_1001，SEL傳送未來值6’b111_101;

T2的時候，DIG傳送未來值8’b1010_0100，SEL傳送未來值6’b111_011;

T3的時候，DIG傳送未來值8’b1011_0000，SEL傳送未來值6’b110_111;

T4的時候，DIG傳送未來值8’b1001_1001，SEL傳送未來值6’b101_111;

T5的時候，DIG傳送未來值8’b1001_0010，SEL傳送未來值6’b011_111;

Verilog則可以這樣表示，如程式碼6.3所示：

1.        case( i )

2.    

3.            0：

4.            begin DIG <= 8’b1100_0000； SEL <= 6’b111_110; i <= i + 1’b1; end

5.            1：

6.            begin DIG <= 8’b1111_1001； SEL <= 6’b111_101; i <= i + 1’b1; end

7.            2：

8.            begin DIG <= 8’b1010_0100； SEL <= 6’b111_011; i <= i + 1’b1; end

9.            3：

10.            begin DIG <= 8’b1011_0000； SEL <= 6’b110_111; i <= i + 1’b1; end

11.            4：

12.            begin DIG <= 8’b1001_1001； SEL <= 6’b101_111; i <= i + 1’b1; end

13.            5：

14.            begin DIG <= 8’b1001_0010； SEL <= 6’b011_111; i <= 4’d0; end

15.    

16.    endcase

程式碼6.3

如程式碼6.3所示，步驟0~5分別對應6位數碼管的顯示次序。如步驟0為DIG被賦予8’b1100_0000，即數字0的數碼管碼，期間SEL也被賦予6’b111_110，即點亮第一位數碼管（左邊第一個）；步驟1為DIG被賦予8’b1111_1001，即數字1的數碼管碼，期間SEL也被賦予6’b111_101，即點亮第二位數碼管（左邊第二個）；至於步驟2~5以此類推，完後便返回步驟0，重複一樣的操作。

流水間隔亦即動態掃描頻率，常規是10ms，不過喪心病狂的筆者卻設定為100us。100us經過50Mhz的時鐘量化以後是 5000，Verilog則可以這樣表示：

parameter T100US = 13'd5000;

如果步驟6.3的流水間隔不是一個時鐘而是100us，那麼程式碼6.3可以這樣修改，修改結果如程式碼6.4所示：

1.    case( i )

2.    

3.            0：

4.            if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13’d0; i <= i + 1’b1; end

5.            else DIG <= 8’b1100_0000； SEL <= 6’b111_110; end

6.            ...

7.            5:

8.            if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13’d0; i <= i + 1’b1; end

9.            else DIG <= 8’b1001_0010； SEL <= 6’b011_111; end

10.    

11.    endcase

程式碼6.4

理解這些內容以後，我們便可以開始建模了 ...

圖6.8 實驗六的建模圖。

如圖6.8所示，那是實驗六的建模圖，其中smg_basemod 是組合模組，它包含數碼管功能模組，還有數碼管加碼模組。接下來，讓我們來分析一下內部情況，數碼管功能模組它有一組24位的iData，然後又有10位oData。隨後oData[9:6]會經由加碼模組（即時模組）成為8位的數碼管資訊，並且驅動DIG頂層訊號。反之oData[5:0]則會直接驅動SEL頂層訊號。

smg_funcmod.v

圖6.9 數碼管功能模組。

接下來，讓我們獨自分析個體模組 ... 首先是數碼管功能模組，人如其名它是負責所有數碼管驅動工作的功能模組，24位的iData分別針對6位數碼管的顯示內容（數字），位分配如表6.1所示：

表 6.1 輸入資料位分配

至於oData的作用如上所示，oData[9:6]必須經由數碼管加碼模組，oData[5:0]則直接驅動SEL頂層訊號。詳細內容就讓我們直接窺視程式碼吧：

1.    module smg_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input [23:0]iData,

5.         output [9:0]oData

6.    );

7.         parameter T100US = 13'd5000;

以上內容為相關出入端宣告。第8行則是100us的常量宣告（流水間隔/停留時間）。

8.     

9.         reg [3:0]i;

10.         reg [12:0]C1;

11.         reg [3:0]D1;

12.         reg [5:0]D2;

13.         

14.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

15.             if( !RESET )

16.                  begin

17.                          i <= 4'd0;

18.                         C1 <= 13'd0;

19.                             D1 <= 4'd0;

20.                         D2 <= 6'b111_110;

21.                    end

以上內容為相關的暫存器宣告以及復位操作。D1暫存iData的部分資料，D2則暫存位選資料。第17~21則是這些暫存器的復位操作。

22.              else 

23.                  case( i )

24.                    

25.                         0:

26.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= i + 1'b1; end

27.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[23:20]; D2 <= 6'b111_110; end

28.                         

29.                         1:

30.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= i + 1'b1; end

31.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[19:16]; D2 <= 6'b111_101; end

32.                         

33.                         2:

34.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= i + 1'b1; end

35.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[15:12]; D2 <= 6'b111_011; end

36.                         

37.                         3:

38.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= i + 1'b1; end

39.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[11:8]; D2 <= 6'b110_111; end

40.                         

41.                         4:

42.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= i + 1'b1; end

43.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[7:4]; D2 <= 6'b101_111; end

44.                         

45.                         5:

46.                         if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 13'd0; i <= 4'd0; end

47.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; D1 <= iData[3:0]; D2 <= 6'b011_111; end

48.                         

49.                    endcase

50.         

51.         assign oData = { D1,D2 };

52.         

53.    endmodule

以上內容為核心操作以及輸出驅動宣告，步驟0~5用來輪流點亮數碼管，大概的思路之前已經解釋過 ... 舉例來說，步驟0為D1賦予iData[23:20]的內容，D2賦予 6’b111_110的內容，簡單說就是將iData[23:20]的數字顯示在第一位數碼管，至於步驟1~5也是以此類推，完後操作會返回步驟0。第51行則是輸出驅動宣告。

smg_encode_immdmod.v

圖6.10 數碼管加碼（即時）模組。

如圖6.10所示，數碼管加碼模組是一隻即時模組，它有一組4位的iData與一組8位的oData。該模組接收iData的內容，然後轉換為數碼管資訊，最後再經由oData輸出。具體內容，還是來瀏覽程式碼吧：

1.    module smg_encode_immdmod

2.    (

3.         input [3:0]iData,

4.         output [7:0]oData

5.    );

6.         parameter      _0 = 8'b1100_0000, _1 = 8'b1111_1001, _2 = 8'b1010_0100, 

7.                       _3 = 8'b1011_0000, _4 = 8'b1001_1001, _5 = 8'b1001_0010, 

8.                      _6 = 8'b1000_0010, _7 = 8'b1111_1000, _8 = 8'b1000_0000,

9.                      _9 = 8'b1001_0000, _A = 8'b1000_1000, _B = 8'b1000_0011,

10.                      _C = 8'b1100_0110, _D = 8'b1010_0001, _E = 8'b1000_0110,

11.                      _F = 8'b1000_1110;

12.         

13.         reg [7:0]D = 8'b1111_1111;

14.         

15.         always @ ( * )

16.              if( iData == 4'd0 ) D = _0;

17.              else if( iData == 4'd1 ) D = _1;

18.              else if( iData == 4'd2 ) D = _2;

19.              else if( iData == 4'd3 ) D = _3;

20.              else if( iData == 4'd4 ) D = _4;

21.              else if( iData == 4'd5 ) D = _5;

22.              else if( iData == 4'd6 ) D = _6;

23.              else if( iData == 4'd7 ) D = _7;

24.              else if( iData == 4'd8 ) D = _8;

25.              else if( iData == 4'd9 ) D = _9;

26.              else if( iData == 4'hA ) D = _A;

27.              else if( iData == 4'hB ) D = _B;

28.              else if( iData == 4'hC ) D = _C;

29.              else if( iData == 4'hD ) D = _D;

30.              else if( iData == 4'hE ) D = _E;

31.              else if( iData == 4'hF ) D = _F;

32.              else D = 8'dx;

33.         

34.         assign oData = D;

35.    

36.    endmodule

第3~4行是出入端宣告。第6~11行是數碼管碼0~F的常量宣告。第13行是相關的暫存器宣告。第15~32行則是加碼操作。第34行是輸出驅動宣告。

smg_basemod.v

至於組合模組smg_basemod筆者就不重複貼圖了，讀者請自行看回圖6.8。詳細的內容讓我們來瀏覽程式碼吧：

1.    module smg_basemod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         output [7:0]DIG,

5.         output [5:0]SEL

6.    );     

7.        wire [9:0]DataU1;

8.    

9.        smg_funcmod U1

10.        (

11.              .CLOCK( CLOCK ),

12.              .RESET( RESET ),

13.              .iData( 24'hABCDEF ), // < top

14.              .oData( DataU1 )  // > U2

15.        );

16.        

17.        assign SEL = DataU1[5:0];

18.    

19.         smg_encode_immdmod U2

20.         (

21.              .iData( DataU1[9:6] ),  // < U1

22.              .oData( DIG )       // > top

23.         );

24.         

25.    endmodule

該程式碼由於演示的作用，並沒有將U1的iData直接引出，而是直接在其輸入設定常量24’hABCDEF（第13行）。至於相關的連線部署就複習圖6.8吧。編譯完後下載程式，我們便會發現數字“ABCDEF”分別自左向右顯示在6位數碼管。

細節一：完整的個體模組

圖6.11 數碼管基礎模組的建模圖。

如圖6.11所示，那是完整的數碼管基礎模組，除了將smg_funcmod的iData向外引出，餘下都一樣。

smg_basemod.v

1.    module smg_basemod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input [23:0]iData,

5.         output [7:0]DIG,

6.         output [5:0]SEL

7.    );     

8.        wire [3:0]DataU1;

9.    

10.        smg_funcmod U1

11.        (

12.              .CLOCK( CLOCK ),

13.              .RESET( RESET ),

14.              .iData( iData ), // < top

15.              .oData( DataU1 ),  // > U2

16.         );

17.        

18.        assign SEL = DataU1[5:0];

19.     

20.         smg_encode_immdmod U2

21.         (

22.              .iData( DataU1[9:6] ),  // < U1

23.              .oData( DIG )        // > top

24.         );

25.         

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