## 数字钟实验

### 1. 实验内容
本实验设计一个能够显示时、分、秒钟的数字时钟，时间在7段数码管上显示。通过开发板上的按键调整数字时钟的时间，分别用四个键来控制分、时的增减。各按键及数码管功能要求如表12-1所示。
<WRAP centeralign>
**表12-1 按键及数码管功能要求**
</WRAP>
|数码管L13、L14|秒钟显示|reset|时钟复位|
|数码管L12,L11|分钟显示|S3，S7|小时加减|
|数码管L10,L9|小时显示|S6,S10|分钟加减|
按下S1，则时钟复位；L13，L14显示秒；按下键盘区的S3键，L12即分钟数增1，同时数码管L7和L8显示S3所在的行列值。同样，按下S7为分钟数减1，S6为小时数增1，数码管L10上的数字相应增1，S10为小时数减1。

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### 2. 实验原理
本实验的原理较为简单（图12 1），设计一个时钟产生模块，产生周期为1s的计时时钟和周期为4ms键盘扫描时钟。周期为1s的时钟触发“秒”计时，计时到59发生分钟的进位，并触发分钟的计时，同样分钟计时到59发生小时的进位，并触发小时的计时。通过键盘上的某些键可以手动设置小时和分钟，时间和键值都会在数码管上显示。键盘键值的识别和数码管的显示参看《键盘扫锚及数码管实验》。
{{drawio>zzcbook_digitalclock.png}}

<WRAP centeralign> **图12-1 数字时钟原理示意图** </WRAP>

### 3. 实验设计
#### 3.1 总体架构 
程序由以下模块组成（图 12 2）：\\
1. 顶层模块Digital_clk将各子模块实例化并将各模块连接起来。
2. clk_gen模块产生扫描键盘所要求的周期为4ms的脉冲信号和计数需要的周期为1秒钟的脉冲信号。\\
3. scan和前面的键盘扫描与数码管显示实验的一样，负责键盘的扫描识别。\\
4. scan模块扫描到的键盘列值和行值送给Timeset模块。Timeset模块用来识别手动时间设置的模式，如按下键盘S3，则表示小时加1。\\
5. Time模块是本程序的核心模块，实现一个支持时分秒的时钟。\\
6. data_2_disp模块和disp_scan也与前面的键盘扫描与数码管显示实验的一样。这里用到六个data_2_disp模块, disp1，disp0显示秒针；disp3，disp2显示分钟；disp5，disp4显示小时。

{{ :图12-2.png |图12-2 程序总体框图}}
<WRAP centeralign>
**图12-2 程序总体框图**
</WRAP>

#### 3.2 Digital_clk模块(digital_clk.v)
Digital_clk模块为顶层模块，输入输出接口如下：
<code verilog> 

input	clk,reset;			//时钟和复位信号。
input 	[3:0]kr;			//扫描键盘行输入。	
output 	[3:0]kc;			//扫描键盘列输出。					
output	[7:0]HEX_sel;		//数码管显示选通信号，每一位选通一个数码管。
output	[7:0]HEX_seg;		//数码管译码显示的内容。

</code>

#### 3.3 one_sec模块(one_sec.v)
One_sec产生以1s为周期的时钟和以4ms为周期的键盘扫描时钟，输入输出接口如下：
<code verilog> 

input	clk, reset;				//时钟和复位信号。
output 	one_sec_clk;		//周期为1s的时钟输出
output	scan_clk;		    //周期为4ms的键盘扫描时钟输出

</code>

#### 3.3 Time_set模块(Time_set.v)
Time_set实现对时钟小时和分钟的手动设置,输入输出接口如下：

<code verilog> 

	input [3:0] add_r;         //按键行地址
	input [3:0] add_c;         //按键列地址
	output [3:0] set;          //手动手动设置时间信号	
Time_set是一个组合逻辑模块，通过按键值来决定时间的调整方式。定义set来指示是何种调整方式，set有四种取值，如下列代码所示：
always @(r_reg or c_reg)
		begin
			if(r_reg == 4'b0001)
				begin
					if(c_reg == 4'b0100)		//按下S3分钟加1
						set = 4'b0010;
					else if(c_reg == 4'b0001)	//按下S6小时加1
						set = 4'b0001;
					else
						set = 4'b0000;
					end
			else if(r_reg == 4'b0010)
				begin
					if(c_reg == 4'b0100)		//按下S7分钟减1
						set = 4'b1000;
					else if(c_reg == 4'b0001)	//按下S10小时减1
						set = 4'b0100;
					else
						set = 4'b0000;
					end
			else
					set = 4'b0000;	
			end
endmodule	

</code>


#### 3.5 Time模块(Time.v)
Time模块控制数字时钟的“时”、“分”及“秒”，模块输入输出接口如下：
<code verilog> 

input	clk, reset;			//时钟和复位信号。
input	en_sec;				//输入周期为1s的时钟	。
input 	[3:0]set;			//手动时间设置控制输入。
output 	[7:0]sec;			//输出秒。
output 	[7:0]minu;			//输出分钟。
output 	[7:0]hour;			//输出小时。

</code>

以下以小时位的增减来说明如何控制“时”“分”“秒”。\\
当键盘有控制键按下时表示需要手动调节分钟和小时，如set=0001，说明输入的按键是S6，则en_h_manu赋值为1。

<code verilog> 

if(keyout_en)   //键盘输入使能信号为高时，set输入有效
    case(set)//手动控制分钟与小时的增减		
        4'b0001: begin	
             en_m_manu <= 0;	en_h_manu <= 1;	de_m <= 0; de_h <= 0;
        end//手动小时增1
        //四个信号的含义为：
        // en_h_manu为高时表示小时手动调整，de_h为高时表示减1，为低时表示加1。
        // en_m_manu为高时表示分钟手动调整，de_m为高时表示减1，为底时表示加1。
	4’b0010: begin	
            en_m_manu <= 1;	en_h_manu <= 0;	de_m <= 0; de_h <= 0;
        end//手动分钟增1。
        4'b0100:  begin	
            en_m_manu <= 0;	en_h_manu <= 0;	de_m <= 0; de_h <= 1;
        end//手动小时减1。
	4'b1000: begin	
            en_m_manu <= 0;	en_h_manu <= 0;	de_m <= 1; de_h <= 0;
        end//手动分钟减1。
        default:  begin	
            en_m_manu <= 0;	en_h_manu <= 0; de_m <= 0; de_h <= 0;
        end  
    endcase

</code>

当分钟位计时到59时，产生一个小时位自动增加变量en_h_auto置为1。\\
信号en_m_manu和en_m_auto分别控制手动和自动分钟调整，定义信号en_m表示分钟需要调整：\\
assign en_m = en_m_manu | en_m_auto;\\

下列代码判断分钟是否需要向小时进位，如果分钟需要调整且分钟计数值到59，则需要向小时进位：
<code verilog> 

always @(en_m or COUNTERm)   // COUNTERm表示分钟计数。
    begin
        en_h_auto <= 0;
	if(en_m)     //分钟需要调整。
		begin
	        if(COUNTERm == 6'b11_1011)//计数到59。
		    en_h_auto <= 1; //en_h_auto表示小时需要自动调整。
		else
		    en_h_auto <= 0;
		end
		else
		     en_h_auto <= 0;
    end

</code>

信号en_h 表示小时是否需要增加，en_h = en_h_manu | en_h_auto。即无论是用按键手动控制还是分钟自动产生进位信号，小时数都要增加1。小时是以24为循环所以当计数到23时，小时计数COUNTERh置为0。当按键产生小时减少信号de_h时,小时数COUNTERh减1：

<code verilog> 

always@( posedge clk or  negedge reset) begin: calculate_hourur
    if (!reset)
        COUNTERh <= 5'b0;
    else begin 
        if(en_h) begin
            if(COUNTERh == 5'b1_0111)//计数到23
                COUNTERh <= 5'b0;
	    else
		COUNTERh <= COUNTERh+1'b1;小时加1
	  end
        else if(de_h)          //小时位减1信号
	    begin
		if(COUNTERh == 5'b0_0000)//当小时位为0时，减1
			COUNTERh <= 5'b1_0111;//小时位变为23
		 else 
			COUNTERh <= COUNTERh-1'b1;
            end
	end					
    end

</code>

因为是用两位十进制来显示小时数，所以需要把二进制数COUNTERh转换成十进制表示。hour[7:0]的前四位为十位，后四位为个位。
<code verilog> 
assign   hour[7:4] = COUNTERh/10;//小时十位数
assign   hour[3:0] = COUNTERh%10; //小时个位数

</code>

(5)scan模块，data_2_disp模块和disp_scan与键盘扫描与数码管显示实验中的一样，请参考键盘扫描实验。

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### 4. 仿真结果
{{ :图12-3.png |图12-3 增大小时值}}
<WRAP centeralign>
**图12-3 增大小时值**
</WRAP>

在图12 3中的黄色线处：set=0001,此时增加小时，所以置en_h_manu为高，en_h是en_h_manu和en_h_auto逻辑“或”的结果，所以此时en_h也为高电平，使hour的值加1；\\
红色线处：set=0010,此时增加分钟，所以置en_m_manu为高，en_m是en_m_manu和en_m_auto或的结果，所以此时en_m也为高电平，使minu的值加1。

{{ :图12-4.png |图12-4 减小分钟值}}
<WRAP centeralign>
**图12-4 减小分钟值**
</WRAP>

在图12-4中的紫色线处：set=1000,此时减小小时的值，所以置de_h为高，使hour的减1，从01变到00；\\


{{ :图12-5.png |图12-5 减小分钟值}}
<WRAP centeralign>
**图12-5 减小分钟值**
</WRAP>

图 12 5是在没有调整时间情况下，在sec=59且en_sec=1时置en_m_auto为高电平，使分钟加1；在minu=59且en_m=1时置en_h_auto为高电平，使小时加1。\\
在上面三个图中sec、minu、hour的显示格式都是16进制形式。

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### 5. 演示程序文件说明
|文件名|功能|
|Digital_Clk.v|主程序|
|one_sec.v|产生1s周期时钟和键盘扫描时钟|
|clock.v|数字钟|
|scan.v|键盘扫描|
|disp_scan.v|数码管扫描|
|data_2_disp.v|数码管译码|

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### 6. 演示程序使用
演示设备要求：核心板，扩展板。

演示方法：下载后，可以看到数码管L14 由零开始计数，L13，L14为秒数显示，按下键盘区的S3键，可以观察到L12即分钟数增1，同时数码管L7L8显示14，即S3所在的行列值。同样，按下S7键为分钟数减1，S6键为小时数增1，数码管L10上的数字会相应增1，S10键为小时数减1。所按键的行列值都会在L7L8上显示。核心板Reset键为复位键。