16 位元可加減計數器

題目說明

請設計一個名為 up_down_counter 的 16 位元同步加減計數器。

計數器會在每個 clk 上升沿，根據控制訊號 up_down 決定計數方向：

up_down = 1：向上計數
up_down = 0：向下計數

當 reset 為高電位時，計數器必須在下一個 clk 上升沿同步重置為：

count = 16'b0000_0000_0000_0000

由於 count 是 16 位元無號數，因此其數值範圍為：

0 到 65535

當向上計數超過 65535 時，計數器會自然回繞至 0。

當向下計數低於 0 時，計數器會自然回繞至 65535。

模組介面

功能說明

同步重置

當：

reset = 1

時，計數器在下一個 clk 上升沿重置為：

count = 0

因為本題要求使用同步程序，因此 reset 不應加入 always 區塊的敏感度列表。

向上計數

當：

reset = 0
up_down = 1

時，在每個 clk 上升沿執行：

count = count + 1

例如：

0 → 1 → 2 → 3 → ... → 65535 → 0

向下計數

當：

reset = 0
up_down = 0

時，在每個 clk 上升沿執行：

count = count - 1

例如：

3 → 2 → 1 → 0 → 65535 → 65534

溢位與下溢行為

由於 count 是 16 位元暫存器，算術運算會自然依照模 65536 運作。

向上溢位

16'hFFFF + 1 = 16'h0000

也就是：

65535 + 1 → 0

向下溢位

16'h0000 - 1 = 16'hFFFF

也就是：

0 - 1 → 65535

不需要額外撰寫邊界判斷。

設計要求

• 模組名稱必須為 up_down_counter。
• count 必須是 16 位元暫存器。
• 使用 clk 上升沿更新計數器。
• reset 為高電位有效同步重置。
• 當 reset = 1 時，將 count 設為 0。
• 當 up_down = 1 時，計數器加一。
• 當 up_down = 0 時，計數器減一。
• 必須支援 16 位元自然溢位與下溢。
• 時序邏輯必須使用 nonblocking assignment。

程式設計模板

module up_down_counter (
    input             clk,
    input             reset,
    input             up_down,
    output reg [15:0] count
);

    // Write your code here

endmodule