基于FPGA的数字钟设计

基于FPGA的数字钟设计可以通过以下步骤实现：

1. 确定时钟信号源：使用实验平台晶体振荡器提供的50MHz时钟信号作为时钟信号源。

2. 时钟分频：使用分频器将50MHz时钟信号分频，输出500Hz、1KHz和1Hz三种备用信号。

3. 数码管显示模块：使用数码管显示模块来显示时间。该模块需要将seg和sel数据进行串并转换，并使用系统时钟四分频得到的shcp时钟进行驱动。需要产生stcp、shcp、ds、oe四个信号对74HC595进行控制。其中，ds为串行数据，shcp为移位寄存器时钟，stcp为存储寄存器时钟，oe为存储寄存器数据输出使能信号。

4. 时钟模块：使用时钟模块来控制时间的变化。该模块需要使用分频后的备用信号来计时，并将计时结果传递给数码管显示模块进行显示。

5. 按键模块：使用按键模块来设置时间。该模块需要检测按键输入，并将输入的时间信息传递给时钟模块进行设置。

// Verilog代码示例
// 时钟分频模块
module clk_divider(
    input clk, // 时钟信号源
    output reg clk_500hz, // 500Hz备用信号
    output reg clk_1khz, // 1KHz备用信号
    output reg clk_1hz // 1Hz备用信号
);
    reg [23:0] cnt = 0; // 计数器，用于计时
    always @(posedge clk) begin
        cnt <= cnt + 1; // 计数器加1
        if (cnt == 49999) begin // 500Hz
            cnt <= 0;
            clk_500hz <= ~clk_500hz; // 取反输出
        end
        if (cnt == 24999) begin // 1KHz
            clk_1khz <= ~clk_1khz; // 取反输出
        end
        if (cnt == 49999999) begin // 1Hz
            cnt <= 0;
            clk_1hz <= ~clk_1hz; // 取反输出
        end
    end
endmodule

// 数码管显示模块
module led_display(
    input clk, // 时钟信号源
    input [13:0] seg_sel_data, // seg和sel数据
    output reg [7:0] led_data, // 数码管数据
    output reg stcp, // 存储寄存器时钟
    output reg shcp, // 移位寄存器时钟
    output reg ds, // 串行数据
    output reg oe // 存储寄存器数据输出使能信号
);
    reg [13:0] data_reg = 0; // 数据寄存器，用于存储seg和sel数据
    reg [7:0] led_reg = 0; // 数码管寄存器，用于存储数码管数据
    always @(posedge clk) begin
        // 将seg和sel数据存入数据寄存器
        data_reg <= seg_sel_data;
        // 将数据寄存器中的数据存入数码管寄存器
        led_reg <= {data_reg[13], data_reg[11:8], data_reg[7:4], data_reg[2:0]};
        // 将数码管寄存器中的数据输出到数码管
        led_data <= led_reg;
        // 控制74HC595
        stcp <= 1'b0;
        shcp <= 1'b0;
        ds <= 1'b0;
        oe <= ~rst; // 将复位信号取反的值赋给oe信号
        #1; // 延时1个时钟周期
        stcp <= 1'b1;
        #1;
        shcp <= 1'b1;
        ds <= 1'b1;
    end
endmodule

// 时钟模块
module clock(
    input clk, // 时钟信号源
    input rst, // 复位信号
    input [1:0] set_time, // 设置时间
    output reg [7:0] led_data, // 数码管数据
    output reg stcp, // 存储寄存器时钟
    output reg shcp, // 移位寄存器时钟
    output reg ds, // 串行数据
    output reg oe // 存储寄存器数据输出使能信号
);
    reg [23:0] cnt = 0; // 计数器，用于计时
    reg [5:0] sec = 0; // 秒
    reg [5:0] min = 0; // 分
    reg [4:0] hour = 0; // 时
    always @(posedge clk) begin
        if (rst) begin // 复位
            cnt <= 0;
            sec <= 0;
            min <= 0;
            hour <= 0;
        end else begin
            cnt <= cnt + 1; // 计数器加1
            if (cnt == 49999) begin // 500Hz
                cnt <= 0;
                sec <= sec + 1; // 秒加1
                if (sec == 60) begin // 分钟加1
                    sec <= 0;
                    min <= min + 1;
                    if (min == 60) begin // 小时加1
                        min <= 0;
                        hour <= hour + 1;
                        if (hour == 24) begin // 一天结束，小时清零
                            hour <= 0;
                        end
                    end
                end
            end
        end
        // 根据设置的时间更新时钟
        case (set_time)
            2'b00: begin // 设置小时
                hour <= hour + 1;
                if (hour == 24) begin
                    hour <= 0;
                end
            end
            2'b01: begin // 设置分钟
                min <= min + 1;
                if (min == 60) begin
                    min <= 0;
                end
            end
            2'b10: begin // 设置秒钟
                sec <= sec + 1;
                if (sec == 60) begin
                    sec <= 0;
                end
            end
            default: begin // 不设置时间
            end
        endcase
        // 将时钟数据传递给数码管显示模块
        led_data <= {7'b0000001, hour[4:0], min[5:0], sec[5:0]};
        stcp <= 1'b0;
        shcp <= 1'b0;
        ds <= 1'b0;
        oe <= ~rst; // 将复位信号取反的值赋给oe信号
        #1; // 延时1个时钟周期
        stcp <= 1'b1;
        #1;
        shcp <= 1'b1;
        ds <= 1'b1;
    end
endmodule

// 按键模块
module key(
    input clk, // 时钟信号源
    input rst, // 复位信号
    input [1:0] key_data, // 按键数据
    output reg [1:0] set_time // 设置时间
);
    reg [1:0] key_reg = 2'b00; // 按键寄存器，用于存储按键数据
    always @(posedge clk) begin
        if (rst) begin // 复位
            key_reg <= 2'b00;
        end else begin
            key_reg <= key_data; // 将按键数据存入按键寄存器
        end
        // 根据按键设置时间
        case (key_reg)
            2'b01: begin // 按下第一个按键，设置小时
                set_time <= 2'b00;
            end
            2'b10: begin // 按下第二个按键，设置分钟
                set_time <= 2'b01;
            end
            2'b11: begin // 同时按下两个按键，设置秒钟
                set_time <= 2'b10;
            end
            default: begin // 没有按键按下，不设置时间
                set_time <= 2'b11;
            end
        endcase
    end
endmodule

// 顶层模块
module top(
    input clk, // 时钟信号源
    input rst, // 复位信号
    input [1:0] key_data, // 按键数据
    output reg [7:0] led_data, // 数码管数据
    output reg stcp, // 存储寄存器时钟
    output reg shcp, // 移位寄存器时钟
    output reg ds, // 串行数据
    output reg oe // 存储寄存器数据输出使能信号
);
    wire clk_500hz, clk_1khz, clk_1hz;
    wire [13:0] seg_sel_data;
    reg [1:0] set_time = 2'b11;
    clk_divider clk_divider_inst(
        .clk(clk),
        .clk_500hz(clk_500hz),
        .clk_1khz(clk_1khz),
        .clk_1hz(clk_1hz)
    );
    led_display led_display_inst(
        .clk(clk_500hz),
        .seg_sel_data(seg_sel_data),
        .led_data(led_data),
        .stcp(stcp),
        .shcp(shcp),
        .ds(ds),
        .oe(oe)
    );
    clock clock_inst(
        .clk(clk_1hz),
        .rst(rst),
        .set_time(set_time),
        .led_data(led_data),
        .stcp(stcp),
        .shcp(shcp),
        .ds(ds),
        .oe(oe)
    );
    key key_inst(
        .clk(clk_1khz),
        .rst(rst),
        .key_data(key_data),
        .set_time(set_time)
    );
    assign seg_sel_data = {8'b11111111, 6'b000000, 1'b1, 1'b1, 1'b1, 1'b1, 1'b1, 1'b1};// 数码管段