第２回レディーゴー（カウンタと7セグLED制御）
それにつけてもDFTの公式
\[ F_k=\frac{1}{N}\sum_{n=0}^{N-1}f_n e^{-j\frac{2\pi nk}{N}} \]は重要です

内容

このドキュメントは http://icrus.org/fpga_atlys_design/ 上にあります.

2-1. カウンタ
2-2. 7セグLED制御

2-1. カウンタ

本日はカウンタと7セグLEDについて解説と実習を行います．先ずは，前回の「LEDチカチカ」プログラムをよく読んで，理解してください．

ここでは，カウンタをいくつか紹介し，それをもとに皆さんにその発展形を考えていってもらいます．扱うカウンタは以下の通りです．

4ビットカウンタ
8ビットカウンタ
速い8ビットカウンタ
10進カウンタ
6進カウンタ
6進10進カウンタ

参考資料

本日の実習に参考になる資料のURLを示します．

Atlysマニュアル http://www.digilentinc.com/data/products/atlys/atlys_rm_v2.pdf
Vmodブレッドボード回路図 https://www.digilentinc.com/Data/Documents/Product%20Documentation/VmodBB.pdf
Verilog 簡易文法書 http://www.icrus.org/machida/product/verilog.pdf

4ビットカウンタ

はじめは4ビットカウンタです．4ビットですから0〜15までを数え上げることができます．ここでは，LEDチカチカを利用して1秒に1カウントアップするようにしています．先ずはリストを入力して実行しててみてください．もちろん入力前には新プロジェクトを作って，ISEを再起動するのを忘れないでください．

リスト2-1 bit_4_counter.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    2014,11,23 
004 // Module Name:    bit_4_counter
005 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module bit_4_counter(
007 	input wire  clk0,
008 	output wire [3:0] led
009 );
010 
011 	assign led=count16;
012 	reg[26:0] c=0;
013 
014 	always @( posedge clk0 )begin
015 		if( c==27'd99999999 )
016 			c <= 0;
017 		else
018 			c <= c + 1'b1;
019 	end 
020 	
021 	reg[3:0] count16=4'b0;
022 	always @( negedge c[26] )begin
023 		count16 <= count16 + 1'b1;
024 	end
025 
026 endmodule

解説

006 モジュールの開始モジュール名 bit_4_counter
007 モジュール入力clk0 →クロック入力(100MHz)
011 led(4ビット)にcount16(4ビット)を結線する
014〜019 LEDチカチカと同じ1秒生成
021 count16を4ビット(3〜0番)のレジスタ変数に宣言する
022 c[26]の立下りで起動するalwaysブロック開始
023 無条件でcount16を1増加する

リスト2-2 bit_4_counter.ucf


001 NET "clk0"	LOC = L15;	// CLK
002 
003 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
004 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
005 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
006 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0

解説

001 clk0をクロック発振器(100MHz)につながるピンに結線する
003〜006 led4ビットをLEDにつながるピンに結線する．LD3〜LD0

LED(LD3〜LD0)は1刻みでカントアップしたでしょうか？1111の後0000に戻りましたか？動かない場合は，一度ISEを再起動してコンパイルをやり直してください．

0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111→0000

これが4ビットカウンタの基本動作です．1秒1進みますので0～15秒まで（16秒間）をカウントアップできます．

問題　8ビットカウンタ

4ビットカウンタを利用して，8ビットカウンタを作成してください．8ビットカウンタは255(4分15秒)（256秒間）までカウントアップしてその後0リセットされます．

ヒント

まずは，以下のヒントを見ずに自分で考えてみてください．

(1) *.vリストの021を8ビットに対応する．

reg[7:0] count16=7'b0;

(2) *.vリストの021を8ビットに対応する．

output wire [7:0] led

(3) *.ucfリストに以下を追加する．

NET "led(7)" LOC = N12; // LD7

NET "led(6)" LOC = P16; // LD6

NET "led(5)" LOC = D4; // LD5

NET "led(4)" LOC = M13; // LD4

回答

リスト2-3_リスト2-4

問題　8ビットカウンタ加速

8ビットカウンタを利用して，8ビットカウンタ加速を作成します．8ビットカウンタのカウントアップの刻みを1秒から0.1にしてスピードアップします．フルカウントで25.5秒になり（25.6秒間）その後0リセットされます．

ヒント

まずは，ヒントを読む前に自分で考えてみてください．

(1) *.vリストの015の27'd99999999を一桁減らし24'd9999999にする．

(2) 012を十進数で1桁分の3ビット減らす．

reg[23:0] c=0;

(3) 022をcの最大ビットに変更する

always @( negedge c[23] )begin

回答

リスト2-5_リスト2-6

しっかりマスターして，いつでもカウンタのスピードアップ，スピードダウンできるようにしてください．

10進カウンタ，6進カウンタ

10進6進カウンタは簡単ですので，ソースを読んで理解できたら，ISEに入力して実行してみてください．変更点を確認してください．

リスト2-7 counter10.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    2014,11,23 
004 // Module Name:    counter10
005 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module counter10(
007 	input wire  clk0,
008 	output wire [3:0] led
009 );
010 
011 	assign led=count16;
012 	reg[26:0] c=0;
013 
014 	always @( posedge clk0 )begin
015 		if( c==27'd99999999 )
016 			c <= 0;
017 		else
018 			c <= c + 1'b1;
019 	end 
020 	
021 	reg[3:0] count16=4'b0;
022 	always @( negedge c[26] )begin
023 		if( count16==4'd9 )
024 			count16 <= 1'b0;
025 		else
026 			count16 <= count16 + 1'b1;
027 	end
028 
029 endmodule

解説

023 count16が9のとき，つぎの値を0にリセットします．
026 023の条件が不成立のときcount16の値を1増加します．

リスト2-8 counter10.ucf


001 NET "clk0"	LOC = L15;	// CLK
002 
003 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
004 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
005 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
006 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0

解説

LED(LD3〜LD0)はカウントアップされ1001の後0000に戻ります．

0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→0000

9のときリセットすることのにより次の値は0になり，10進カウンタができます．10秒ごとにリセットされ0に戻ることになります．

リスト2-9 counter6.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    2014,11,23 
004 // Module Name:    counter6
005 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module counter6(
007 	input wire  clk0,
008 	output wire [3:0] led
009 );
010 
011 	assign led=count8;
012 	reg[26:0] c=0;
013 
014 	always @( posedge clk0 )begin
015 		if( c==27'd99999999 )
016 			c <= 0;
017 		else
018 			c <= c + 1'b1;
019 	end 
020 	
021 	reg[2:0] count8=3'b0;
022 	always @( negedge c[26] )begin
023 		if( count8==3'd5 )
024 			count8<=1'b0;
025 		else
026 			count8 <= count8 + 1'b1;
027 	end
028 
029 endmodule

解説

024 023が成立のとき(count8が5)のとき，つぎの値を0にリセットします．
026 023が不成立のときcount8の値を1増加します．

リスト2-10 counter6.ucf


001 NET "clk0"	LOC = L15;	// CLK
002 
003 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
004 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
005 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
006 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0

解説

LED(LD3〜LD0)はカウントアップされ0101の後0000に戻ります．

000→001→010→011→100→101→000

5のときリセットすることのにより6進カウンタができます．6秒ごとにリセットされ0に戻ることになります．

問題　6進カウンタと10進カウンタを結合して60進カウンタを作る

6進カウンタと10進カウンタを結合して60進カウンタを作成する．10進カウンタから6進カウンタへ繰り上がるようにすること．6進部分の3ビットをLED(LD6,5,4)に10進数部分の4ビットをLED(LD3,2,1,0)に表示するようにすること．

○○○｜○○○○

６５４｜３２１０

６進数｜１０進数

このカウンタは60秒で0に戻る１分計になる．

ヒント

まずは，ヒントを読む前に自分で考えてみてください．

(1)count10を4ビット(3番〜0番)，count6を3ビット(2番〜0番)にする．

(2)count6は

always @( negedge count10[3] )begin

のように記述して，count10の3番ビットの立下りを繰り上がりに利用できる

(3)led[6:4]をcount6で，led[3:0]をcount10でassignする

回答

リスト2-11_リスト2-12

このプログラムは2桁の7セグLEDに60進数を表示するための基礎になります．

6進，10進のドッキングに成功したら，スピードアップに挑戦してみてください．

2-2. 7セグLED制御

ここでは，4桁7セグLEDのを使い方を紹介します．扱うプログラムは以下の通りです．

SW to LED
SW to 7seg
60進カウンタ7seg表示

準備 7segLED回路作成

図2-1,-2にしたがって,ブレッドボード上に7segLED回路を作成してください．

図2-1 4桁7セグ表示回路回路図

図2-2 4桁7セグ表示回路作成例

図2-3 4桁7セグ表示器(OSL40562-LG)内部回路図

表2-1 4桁7セグ表示回路部品表

リファレンス	型番・値	数量
LED1	OSL40562-LG	1
IC1	TD62083APG	3
R1～8	220Ω 1/4W	8
ジャンパ	電線	10本程度

SW to LED

スライドスイッチ(SW7〜SW0)のON/OFFをそのままLED(LD7〜LD0)に伝える簡単プログラムです．

リスト2-13 sw_led.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    2014,11,23 
004 // Module Name:    sw_led
005 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module sw_led(
007 	input wire  [7:0] sw,
008 	output wire [7:0] led
009 );
010 	assign led=sw;
011 	
012 endmodule

解説

007 swを7ビットのモジュール入力にします

008 ledを7ビットのモジュール出力にします

010 led←swを結線します

リスト2-14 sw_led.ucf


001 NET "led(7)"	LOC = N12;	// LD7
002 NET "led(6)"	LOC = P16;	// LD6
003 NET "led(5)"	LOC = D4;	// LD5
004 NET "led(4)"	LOC = M13;	// LD4
005 
006 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
007 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
008 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
009 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0
010 
011 NET "sw(7)" 	LOC=E4;  	// SW7
012 NET "sw(6)" 	LOC=T5;  	// SW6
013 NET "sw(5)" 	LOC=R5;  	// SW5
014 NET "sw(4)" 	LOC=P12; 	// SW4
015 
016 NET "sw(3)" 	LOC=P15; 	// SW3
017 NET "sw(2)" 	LOC=C14; 	// SW2
018 NET "sw(1)" 	LOC=D14; 	// SW1
019 NET "sw(0)" 	LOC=A10; 	// SW0

解説

001〜009 led(7)〜led(0)をデバイスのピン番号に関連付けます．（このピンがLEDに結線されている．）

011〜019 sw(7)〜sw(0)をデバイスのピン番号に関連付けます．（このピンがスライドスイッチに結線されている．）

実行に成功するとスライドスイッチのON/OFFにより，LEDが点滅します．

SW to 7セグLED

次に，スライドスイッチにより，7セグLEDを制御します．図2-3を見ると明らかなように7セグの制御信号は12本あります．このうち，A側（アノード側）をスライドスイッチで制御するのがこのプログラムです．同時にLEDも点灯します．K側（カソード側）はwire型のlineにより固定です．

リスト2-15 sw_led7seg.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    17:33:00 10/13/2015 
004 // Module Name:    sw_led7seg 
005 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module sw_led7seg(
007 	input wire  [7:0] sw,
008 	output wire [7:0] led,
009 	output wire [7:0] seg7,
010 	output wire [3:0] line
011 );
012 	assign line=4'b1;
013 	assign led=sw;
014 	assign seg7=sw;
015 endmodule

解説

009 seg7を8ビットのモジュール出力にします

010 lineを4ビットのモジュール出力にします

012 line←4'b0001で固定します

014 seg7←swを結線します

リスト2-16 sw_led7seg.ucf


001 NET "led(7)"	LOC = N12;	// LD7
002 NET "led(6)"	LOC = P16;	// LD6
003 NET "led(5)"	LOC = D4;	// LD5
004 NET "led(4)"	LOC = M13;	// LD4
005 
006 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
007 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
008 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
009 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0
010 
011 NET "sw(7)" 	LOC = E4;  	// SW7
012 NET "sw(6)" 	LOC = T5;  	// SW6
013 NET "sw(5)" 	LOC = R5;  	// SW5
014 NET "sw(4)" 	LOC = P12; 	// SW4
015 
016 NET "sw(3)" 	LOC = P15; 	// SW3
017 NET "sw(2)" 	LOC = C14; 	// SW2
018 NET "sw(1)" 	LOC = D14; 	// SW1
019 NET "sw(0)" 	LOC = A10; 	// SW0
020 
021 
022 NET "seg7(7)" 	LOC = T8; 	// IO26 h   
023 NET "seg7(6)" 	LOC = V8; 	// IO28 g 
024 NET "seg7(5)" 	LOC = V16; 	// IO15 f  
025 NET "seg7(4)" 	LOC = T10; 	// IO24 e 
026  
027 NET "seg7(3)" 	LOC = V10; 	// IO25 d   
028 NET "seg7(2)" 	LOC = N8; 	// IO27 c   
029 NET "seg7(1)" 	LOC = V15; 	// IO16 b   
030 NET "seg7(0)" 	LOC = V13; 	// IO17 a  
031 
032 NET "line(3)" 	LOC = U10; 	// IO11 00 
033 NET "line(2)" 	LOC = R8; 	// IO12 01
034 NET "line(1)" 	LOC = M8; 	// IO13 02
035 NET "line(0)" 	LOC = U8; 	// IO14 03

解説

022〜030 seg7(7)〜seg7(0)をデバイスのピン番号と関連付けます．（このピンがブレッドボード上のIO端子とつながってる．）（表2-2参照）

7セグLED回路をVmod端子に接続し，(この接続はデモンストレーションを見てから慎重に行って下さい．壊れる恐れがあります)その後プログラムを実行してください．スライドスイッチのON/OFFと7セグLEDの表示部分の対応がわかります．

(参考) 表2-2 ブレッドボード(VmodBB)の端子とデバイスのピン番号の対応

ボード端子名	VCC	GND	IO1	IO2	IO3	IO4	IO5	IO6	IO7	IO8	IO9	IO10	IO11	IO12	IO13	IO14
FPGAピン番号	3.3[V]	GND	U16	U15	U13	M11	R11	T12	N10	M10	U11	R10	U10	R8	M8	U8

ボード端子名	VU	IO15	IO16	IO17	IO18	IO19	IO20	IO21	IO22	IO23	IO24	IO25	IO26	IO27	IO28
FPGAピン番号	5[V]	V16	V15	V13	N11	T11	V12	P11	N9	V11	T10	V10	T8	N8	V8

問題 sw(7)〜sw(0)と7セグLEDとの関係をまとめよ

sw(7)〜sw(0)と7セグLEDの点灯するLEDの位置との関係表にまとめてください．

60進カウンタ7セグLED表示

前に作成した60進カウンタを利用して7セグLEDに数字を表示させることにします．プログラムはまだ不完全です．完成させてください．

リスト2-17 seg7_counter10.v


001 `timescale 1ns / 1ps
002 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
003 // Create Date:    18:38:20 10/13/2015 
004 // Module Name:    seg7_counter10 
005 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
006 module seg7_counter10(
007 	input wire  clk0,
008 	output wire [7:0] seg7,
009 	output wire [3:0] line,
010 	output wire [6:0] led
011 );
012 	assign line=4'b0001;
013 	assign led[6:4] = count6;
014 	assign led[3:0] = count10;
015 	reg[26:0] c=0;
016 	
017 	assign seg7[6:0] = disp;
018 	assign seg7[7] = 0;
019 
020 	always @( posedge clk0 )begin
021 		if( c==27'd99999999 )
022 			c <= 0;
023 		else
024 			c <= c + 1'b1;
025 	end 
026 	
027 	reg[3:0] count10=4'b0;
028 	reg[6:0] disp=7'b0;
029 	
030 	always @( negedge c[26] )begin
031 		if(count10==4'd0)
032 			disp<=7'b1110000;
033 		else if(count10==4'd1)
034 			disp<=7'b0001111;
035 		else if(count10==4'd2)
036 			disp<=7'b1110000;
037 		else if(count10==4'd3)
038 			disp<=7'b0001111;
039 		else if(count10==4'd4)
040 			disp<=7'b1110000;
041 		else if(count10==4'd5)
042 			disp<=7'b0001111;
043 		else if(count10==4'd6)
044 			disp<=7'b1110000;
045 		else if(count10==4'd7)
046 			disp<=7'b0001111;
047 		else if(count10==4'd8)
048 			disp<=7'b1110000;
049 		else if(count10==4'd9)
050 			disp<=7'b0001111;
051 		
052 		if( count10==4'd9 )
053 			count10<=1'b0;
054 		else
055 			count10 <= count10 + 1'b1;
056 	end
057 
058 	reg[2:0] count6=3'b0;
059 	always @( negedge count10[3] )begin
060 		if( count6==3'd5 )
061 			count6 <= 1'b0;
062 		else
063 			count6 <= count6 + 1'b1;
064 	end
065 
066 endmodule

解説

030〜050 count10の値によりdisp(7ビット)の値を決定する．その際，前に作成したスライドスイッチと7セグLED点灯位置の対応表が参考になる．

時間で1桁目，2桁目の表示を切り替えて，2桁表示することができる．

【ヒント】２桁目の表示切り替えはwire型 lineの4'b0001から4'b0010に切り換えることにより行うことができ，そのタイミングで数値を6進カウンタに切り換えればできる．

リスト2-18 seg7_counter10.ucf


001 // seg7_counter10.ucf
002 NET "clk0"		LOC = L15;	// CLK
003 
004 NET "led(6)"	LOC = P16;	// LD6
005 NET "led(5)"	LOC = D4;	// LD5
006 NET "led(4)"	LOC = M13;	// LD4
007 
008 NET "led(3)"	LOC = L14;	// LD3
009 NET "led(2)"	LOC = N14;	// LD2
010 NET "led(1)"	LOC = M14;	// LD1
011 NET "led(0)"	LOC = U18;	// LD0
012 
013 NET "seg7(7)" 	LOC = T8; 	// IO26 h   
014 NET "seg7(6)" 	LOC = V8; 	// IO28 g 
015 NET "seg7(5)" 	LOC = V16; 	// IO15 f  
016 NET "seg7(4)" 	LOC = T10; 	// IO24 e 
017  
018 NET "seg7(3)" 	LOC = V10; 	// IO25 d   
019 NET "seg7(2)" 	LOC = N8; 	// IO27 c   
020 NET "seg7(1)" 	LOC = V15; 	// IO16 b   
021 NET "seg7(0)" 	LOC = V13; 	// IO17 a  
022 
023 NET "line(3)" 	LOC = U10; 	// IO11 00 
024 NET "line(2)" 	LOC = R8; 	// IO12 01
025 NET "line(1)" 	LOC = M8; 	// IO13 02
026 NET "line(0)" 	LOC = U8; 	// IO14 03

以上，今回はカウンタと7セグLED表示の基礎でした．

『60進カウンタ7セグLED表示』の完成が今日の目標です．7セグLEDの表示方法について理解できるはずです．

次回は，単相同期とディジタル時計の作成を行います．