弹奏曲子

现在我们希望通过FPGA来弹奏曲子。首先我们需要一个类似与键盘的东西来弹奏音符。如果我们使用6位去编码一个音符，那么我们可以得到64个音符。每个音阶有12个音符，所以64个音符可以包括比5个还要多的音阶，这对与弹奏一小曲子来说已经足够了。

第一步

为了实现一升调的方式依次64个音符，我们使用一个28位的计数器，使用它的最高6位来作为我们希望弹奏的音符。

代码

• reg [27:0] tone;
• always @(posedge clk) tone <= tone+1;
• wire [5:0] fullnote = tone[27:22];

当输入时钟频率为25MHz时,每个音符持续167ms，总共需要10.6s才能播放完全部64个音符。

第二步.

我们将“fullnote”除以12，从而得到八度音阶（五个音阶（0-4），所以3位就足够了）和12个音符（0-11，所以4位就够了）。

代码

• wire [2:0] octave;
• wire [3:0] note;
• divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]), .quotient(octave), .remain(note));

可以看到，这里我们使用了除法模块divby12来完成除法，具体的细节将在后面谈到。

第三步.

当从一个音阶跳到下一个音阶，频率需要乘以2时，这个在硬件上很容易实现，具体将在第四步中讨论。

但是当需要乘以“1.0594”时，这个在硬件上很难实现。因此我们使用一个存储了预先计算好的值的查找表来实现。

我们将主时钟除以512得到A调，除以483得到A#调，除以456得到B调。除以一个越小的值，得到的音调越高。

代码

• always @(note)
• case(note)
• 0: clkdivider = 512-1; // A
• 1: clkdivider = 483-1; // A#/Bb
• 2: clkdivider = 456-1; // B
• 3: clkdivider = 431-1; // C
• 4: clkdivider = 406-1; // C#/Db
• 5: clkdivider = 384-1; // D
• 6: clkdivider = 362-1; // D#/Eb
• 7: clkdivider = 342-1; // E
• 8: clkdivider = 323-1; // F
• 9: clkdivider = 304-1; // F#/Gb
• 10: clkdivider = 287-1; // G
• 11: clkdivider = 271-1; // G#/Ab
• 12: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 13: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 14: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 15: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• endcase
• always @(posedge clk) if(counter_note==0) counter_note <= clkdivider; else counter_note <= counter_note-1;

每次"counter_note"等于0，都意味着将要转到下一个音阶，对应到程序中就是counter_octave除以2。

第四步.

好了。现在我们来处理一下音阶。

对于最低的音阶，我们将"counter_note"除以256。对于音阶1，除以128... 以此类推...

代码

• reg [7:0] counter_octave;
• always @(posedge clk)
• if(counter_note==0)
• begin
• if(counter_octave==0)
• counter_octave <= (octave==0?255:octave==1?127:octave==2?63:octave==331:octave==4?15:7);
• else
• counter_octave <= counter_octave-1;
• end
• reg speaker;
• always @(posedge clk) if(counter_note==0 && counter_octave==0) speaker <= ~speaker;

完整的代码如下所示：

代码

• module music(clk, speaker);
• input clk;
• output speaker;
• reg [27:0] tone;
• always @(posedge clk) tone <= tone+1;
• wire [5:0] fullnote = tone[27:22];
• wire [2:0] octave;
• wire [3:0] note;
• divide_by12 divby12(.numer(fullnote[5:0]), .quotient(octave), .remain(note));
• reg [8:0] clkdivider;
• always @(note)
• case(note)
• 0: clkdivider = 512-1; // A
• 1: clkdivider = 483-1; // A#/Bb
• 2: clkdivider = 456-1; // B
• 3: clkdivider = 431-1; // C
• 4: clkdivider = 406-1; // C#/Db
• 5: clkdivider = 384-1; // D
• 6: clkdivider = 362-1; // D#/Eb
• 7: clkdivider = 342-1; // E
• 8: clkdivider = 323-1; // F
• 9: clkdivider = 304-1; // F#/Gb
• 10: clkdivider = 287-1; // G
• 11: clkdivider = 271-1; // G#/Ab
• 12: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 13: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 14: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• 15: clkdivider = 0; // 永远不会发生
• endcase
• reg [8:0] counter_note;
• always @(posedge clk) if(counter_note==0) counter_note <= clkdivider; else counter_note <= counter_note-1;
• reg [7:0] counter_octave;
• always @(posedge clk)
• if(counter_note==0)
• begin
• if(counter_octave==0)
• counter_octave <= (octave==0255:octave==1127:octave==263:octave==331:octave==415:7);
• else
• counter_octave <= counter_octave-1;
• end
• reg speaker;
• always @(posedge clk) if(counter_note==0 && counter_octave==0) speaker <= ~speaker;
• endmodule

除以12:

“除以12”这么模块完成将一个6位的数（number）除以12这个功能。结果我们将得到一个3位的商(0..5)和一个 4位的余数(0..11)。我们尝试使用厂商提供的除法模块，但是它提供的是一个针对通用除法优化的模块。而这里，除数是固定不变的。所以需要设计一个定制的除法模块。

为了完成处理12，我们采用以下技巧，先将数除以4，然后再除以3。

除以4只需要将数据右移2位即可，移出的2位作为余数。这样我们只剩下6-2=4位数据，只要将他们除以3即可。除以3的操作是用查找表的方法实现的。（为什么这么做：避免使用除法器，可以获得更高的速度，并节省器件资源）

代码

• module divide_by12(numer, quotient, remain);
• input [5:0] numer;
• output [2:0] quotient;
• output [3:0] remain;
• reg [2:0] quotient;
• reg [3:0] remain_bit3_bit2;
• assign remain = {remain_bit3_bit2, numer[1:0]}; // the first 2 bits are copied through
• always @(numer[5:2]) // 查找表实现除以3的供呢个
• case(numer[5:2])
• 0: begin quotient = 0; remain_bit3_bit2 = 0; end
• 1: begin quotient = 0; remain_bit3_bit2 = 1; end
• 2: begin quotient = 0; remain_bit3_bit2 = 2; end
• 3: begin quotient = 1; remain_bit3_bit2 = 0; end
• 4: begin quotient = 1; remain_bit3_bit2 = 1; end
• 5: begin quotient = 1; remain_bit3_bit2 = 2; end
• 6: begin quotient = 2; remain_bit3_bit2 = 0; end
• 7: begin quotient = 2; remain_bit3_bit2 = 1; end
• 8: begin quotient = 2; remain_bit3_bit2 = 2; end
• 9: begin quotient = 3; remain_bit3_bit2 = 0; end
• 10: begin quotient = 3; remain_bit3_bit2 = 1; end
• 11: begin quotient = 3; remain_bit3_bit2 = 2; end
• 12: begin quotient = 4; remain_bit3_bit2 = 0; end
• 13: begin quotient = 4; remain_bit3_bit2 = 1; end
• 14: begin quotient = 4; remain_bit3_bit2 = 2; end
• 15: begin quotient = 5; remain_bit3_bit2 = 0; end
• endcase
• endmodule

音乐

现在让我们来让FPGA播放一段音乐。这个很容易实现，只要再用一块ROM来存放希望播放的音乐的乐谱就可以了。

代码

• reg [30:0] tone;
• always @(posedge clk) tone <= tone+1;
• wire [7:0] fullnote;
• music_rom rom(.inclock(clk), .outclock(clk), .address(tone[29:22]), .q(fullnote));

其中“music_rom”使用FPGA厂商提供的工具生成的，如Altera的Quartus II 及其宏功能生成的这些文件。

另外，我们还希望实现以下功能：

* 播放音乐时，在ROM的结尾处暂停

* "fullnote"值为0时，表示静音

所以我们将原来的程序的最后一行从

代码

• always @(posedge clk) if(counter_note==0 && counter_octave==0) speaker <= ~speaker;

修改为：

代码

• always @(posedge clk) if(counter_note==0 && counter_octave==0 && tone[30]==0 && fullnote!=0) speaker <= ~speaker;

设计的剩下部分是一样的。你能认得这首音乐吗？:)