Mod 6 Johnson 计数器（带 D 触发器）

Mod 6 Johnson 计数器是一种基于 D 触发器的自循环电路，能够产生 6 种不同的状态，每秒钟递增或递减一个状态。这种计数器的特点是非常简单且具有周期性，所以它经常被用于时序电路的设计中。

原理

这种计数器是通过将两个 D 触发器连接起来构成的。其中一个触发器被称为“主触发器”，另一个称为“辅助触发器”。当主触发器为 HIGH 时，辅助触发器为 LOW，反之亦然。这种状态会根据时钟信号作动态改变。主触发器和辅助触发器的输出通过反馈回到两个输入上，这就形成了一个循环，能够自动产生 6 种不同的状态。

状态转移图如下：

graph LR
A[Q1] --> B[0]
B --> C[-Q1]
C --> D[1]
D --> E[Q1]
E --> F[-1]
F --> A

代码实现

以下是 Mod 6 Johnson 计数器的代码实现，使用 Verilog HDL 描述。其中，我们实现了一个 4 毫秒的时钟信号，并将计数器的最高位作为输出信号。

module mod6_johnson(
    input clk,      // 时钟信号
    output reg out  // 输出信号
);

reg q1, q2;        // D 触发器的输入信号
reg [2:0] count;   // 计数器的状态

// 时钟信号的周期为 4ms
always @(posedge clk) begin
    q1 <= count[0] ^ count[2];
    q2 <= q1 ^ count[2];
    count <= {q2, count[2:1]};
    out <= count[2];
end

endmodule

以上代码中，我们使用了 always @(posedge clk) 语句来描述计数器的状态转移过程。当时钟信号的上升沿到来时，会根据当前状态计算下一个状态，并将最高位作为输出信号输出。其中，^ 表示按位异或运算符，{a, b, c} 用于将变量 a, b 和 c 合并成一个向量。