在数字逻辑设计的浩瀚星河中，Johnson 计数器（也被称为扭环形计数器）总是那个让人眼前一亮的经典结构。正如我们在 GeeksforGeeks 的基础文章中所看到的，它巧妙地利用移位寄存器的特性，通过将最后一个触发器的反相输出反馈到输入端，实现了高效的状态循环。对于 Mod 6 Johnson 计数器而言，我们仅仅需要 3 个触发器就能产生 6 个独特的状态，这在硬件资源利用率上是非常出色的。
然而，站在 2026 年的技术前沿，我们不再仅仅将这些计数器视为单纯的逻辑门电路。在这篇文章中，我们将超越基础教科书，结合最新的 AI 辅助开发流程、企业级工程实践以及 2026 年的技术视角，重新审视这一经典电路。我们不仅要理解它的工作原理，更要探讨如何在边缘计算、高可靠性系统以及 AI 协同设计的场景中，让这位“老兵”焕发新生。
核心架构回顾：为什么我们依然选择 Johnson 计数器
在我们深入现代开发实践之前，让我们快速巩固一下核心知识。Mod 6 意味着我们需要在计数序列中经历 6 个状态。如果是标准的二进制计数器，我们需要处理复杂的位模式变化，而 Johnson 计数器则为我们提供了一种优雅的解决方案：每次时钟脉冲到来时，只有一位发生变化。
这种特性在我们的高速电路设计中至关重要，因为它最大限度地减少了“毛刺”。让我们再次审视那个经典的状态序列：INLINECODEebe71050。这里，我们从 $2^n$ 个可能的状态中只使用了一半（$2n$），留下的另一半（INLINECODE4feade37, 101 等）则是所谓的“无效状态”或“锁存状态”。在我们的基础学习中，这看起来可能是个缺点，但在 2026 年的今天，这些“无效状态”反而成为了我们进行故障检测和硬件安全协议的切入点。
2026 年开发范式：AI 驱动下的硬件设计（Vibe Coding）
在当下的技术环境中，我们编写硬件描述语言（HDL）的方式已经发生了质变。你可能已经注意到，传统的手动编写 Verilog 或 VHDL 正在经历一场变革。我们称之为“氛围编程（Vibe Coding）”的时代已经到来。
结对开发的新定义
在我们的最近的项目中，我们发现 AI 不仅仅是代码补全工具，更是我们的“结对编程伙伴”。当我们需要实现这个 Mod 6 计数器时，我们不再只是埋头敲击键盘。我们可以直接对 IDE 说：“我们需要一个带有内置复位逻辑的 Mod 6 Johnson 计数器，并且需要处理非法状态的自恢复。”
这种“氛围编程”让我们能够更专注于逻辑的意图，而不是语法的细节。例如，使用 Cursor 或 Windsurf 这样的现代 IDE，我们可以让 AI 帮我们生成初始的 RTL 代码，然后我们作为专家进行审查和优化。这不仅提高了效率，更减少了因低级拼写错误导致的仿真失败。
深度实战：生产级代码实现与鲁棒性设计
我们在 GeeksforGeeks 上看到的例子通常是为了教学简化的。但在生产环境中，特别是在 2026 年强调的“安全左移”理念下，我们必须考虑所有情况，尤其是系统上电时的随机状态。由于 3 个触发器有 8 个状态，而我们只用了 6 个，如果系统意外进入剩下的 2 个状态（INLINECODE282a4049 或 INLINECODEdbbaeffc），它可能会陷入死循环。
在我们的企业级实践中，绝不允许芯片在没有复位逻辑的情况下运行。让我们看一个带有“非法状态处理”的生产级 Verilog 实现。
module mod_6_johnson_counter_prod (
input wire clk, // 时钟信号
input wire rst_n, // 低电平有效复位 (Active Low Reset)
output reg [2:0] q_out // 输出状态
);
// 我们定义内部状态变量，这样在仿真中更易于追踪
// [2] 是高位，[0] 是低位
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
// 复位逻辑：确保我们从已知状态开始
// 我们选择 000 作为起始点
q_out <= 3'b000;
end else begin
// 核心逻辑：检查是否处于非法状态
// 在 Johnson 计数器中，010 和 101 是非法的
case (q_out)
3'b010, 3'b101: begin
// 故障自愈：如果进入非法状态，强制复位
// 这是一个安全左移 的实践，防止硬件锁死
q_out <= 3'b000;
// 在实际项目中，这里我们可能会通过 assert 语句触发一个警报
// `ifdef FORMAL_VERIFICATION
// $error("System entered illegal state!");
// `endif
end
default: begin
// 正常的 Johnson 移位逻辑
// 将最高位 q[2] 反相后移入最低位 q[0]
// 这里的写法利用了位拼接操作符，非常简洁
q_out <= {q_out[1:0], ~q_out[2]};
end
endcase
end
end
// 在这里，我们还可以添加断言来确保逻辑的正确性
// 在 2026 年，形式验证 是标准流程的一部分
`ifdef FORMAL_VERIFICATION
illegal_state_detector: assert property (
@(posedge clk) disable iff (!rst_n)
(q_out != 3'b010 && q_out != 3'b101)
) else $error("Illegal State Detected at time %0t", $time);
`endif
endmodule
在这个代码示例中，我们不仅实现了计数功能，还体现了我们在工程化思考上的深化：
- 可观测性：通过
ifdef FORMAL_VERIFICATION包裹的断言，我们展示了如何将验证逻辑融入代码。在 2026 年，软硬件协同设计要求我们在 RTL 阶段就考虑可观测性。 - 容灾能力：那个
case语句里的非法状态处理，就是我们防止系统死锁的最后一道防线。
超越基础：基于 LUT 的优化与查表表设计
随着 FPGA 架构在 2026 年的进一步演进，直接使用逻辑门进行综合有时并非最优解。我们在处理 Johnson 计数器这种状态有限的状态机时，往往会采用一种“状态查找表”的设计思路。这在某些需要极度低功耗的场景下（例如依靠电池运行的物联网传感器节点）尤为有效，因为它可以关闭组合逻辑部分的动态功耗。
让我们看一个稍微不同的实现方式，这种方式更易于 AI 工具进行形式化验证和优化。
// 展示一种更倾向于“查找表”风格的描述
// 这在某些 ASIC 流程中能更好地处理时序收敛
module johnson_counter_lut_style (
input wire clk,
input wire rst_n,
output reg [2:0] state
);
// 定义下一状态的逻辑
// 这里的写法非常显式，没有任何隐藏的逻辑
wire [2:0] next_state;
// 组合逻辑块：计算下一状态
// 使用纯组合逻辑描述状态转换，这对于综合工具非常友好
always @(*) begin
case (state)
3‘b000: next_state = 3‘b100; // 0 -> 4
3‘b100: next_state = 3‘b110; // 4 -> 6
3‘b110: next_state = 3‘b111; // 6 -> 7
3‘b111: next_state = 3‘b011; // 7 -> 3
3‘b011: next_state = 3‘b001; // 3 -> 1
3‘b001: next_state = 3‘b000; // 1 -> 0
// 非法状态处理：显式回归
3‘b010: next_state = 3‘b000;
3‘b101: next_state = 3‘b000;
default: next_state = 3‘b000; // 防止 Latch 产生
endcase
end
// 时序逻辑块：更新状态
// 将组合逻辑与时序逻辑分离，是 2026 年标准的高可靠性写法
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
state <= 3'b000;
end else begin
state <= next_state;
end
end
endmodule
你可能会问，为什么要多写这么多代码？在 2026 年的开发流程中，这种“显式分离”的写法极大地降低了 AI 进行代码审计的难度。当我们的 AI 代码审查 Agent 扫描这段代码时，它能一眼看出状态转换的完整性，而不需要去推导位移逻辑。这在大型 SoC 设计中，能有效避免潜在的逻辑死锁。
2026 视角下的应用：从 FPGA 到边缘计算加速器
让我们思考一个更实际的场景。在边缘计算设备（如 2026 年常见的智能物联网传感器）中，Johnson 计数器的一个极佳用途是生成无毛刺的 PWM（脉冲宽度调制）信号。由于 Johnson 计数器的相邻状态之间只有一位发生变化，它非常适合用作相位累加器，这对于减少电机驱动中的电磁干扰（EMI）至关重要。
场景分析：假设我们需要为一个小型的电机驱动器生成 3 级 PWM 控制。
// 这是一个展示如何将计数器转换为实际控制信号的示例
module johnson_pwm_generator (
input wire clk,
input wire rst_n,
output wire [2:0] pwm_phases // 输出 3 个相位差为 120度的信号
);
// 实例化我们之前设计的生产级计数器
wire [2:0] count;
mod_6_johnson_counter_prod u_counter (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.q_out(count) // 计数器输出：000, 100, 110, 111, 011, 001
);
// 简单的解码逻辑
// 在实际硬件中，这部分逻辑可能会被综合进 LUT 或 Hard Macro
// 注意：这里的逻辑是基于 Johnson 序列的特定解码
assign pwm_phases[0] = count[2]; // 对应序列的高位
assign pwm_phases[1] = count[1]; // 对应中位
assign pwm_phases[2] = count[0]; // 对应低位
/*
* 让我们分析一下输出序列：
* State 000 -> PWM: 000
* State 100 -> PWM: 100 (Phase 0 High)
* State 110 -> PWM: 110 (Phase 0, 1 High)
* State 111 -> PWM: 111 (All High)
* State 011 -> PWM: 011 (Phase 1, 2 High)
* State 001 -> PWM: 001 (Phase 2 High)
*
* 这种阶梯状的输出非常适合驱动电荷泵或步进电机的细分控制。
*/
endmodule
在我们的实际项目中，这种类型的代码会被封装在一个 IP 核中。通过 AI 辅助的文档生成工具，我们可以根据这些注释自动生成针对不同团队（如验证团队、软件驱动团队）的多模态文档，大大缩短了跨部门协作的周期。
调试与性能优化：AI 介入的黄金时代
你可能会问，如果这个计数器在硅片上跑飞了怎么办？在 2026 年，我们不再单纯依赖示波器去抓波形。我们使用的是 Agentic AI（代理式 AI）来分析仿真波形和 FPGA 原型日志。
当我们遇到问题时，我们可以把波形文件（VCD/FSDB）直接拖入支持 LLM 的调试工具中。AI 会自动分析状态转换的时序，并告诉我们：“嘿，在第 15ns 的时候，复位信号有一个毛刺，导致计数器被意外复位。”这种智能化的诊断流程，将我们的调试效率提升了一个数量级。
常见陷阱与优化建议：
- 时钟偏移：虽然 Johnson 计数器是同步的，但在极高频率下（例如在 ASIC 实现中超过 500MHz），触发器输出的反相逻辑（
~q_out）可能会成为关键路径。我们在综合时通常会建议工具使用专用的高速反相器，或者在 RTL 阶段将这个逻辑拆分。 - 扇出问题：如果这个计数器的输出要驱动几十个模块，
q_out[2]的扇出会非常大。在我们的最佳实践中，我们会在这个信号后面插一级寄存器进行复制，这虽然会增加一个周期的延迟，但对于整个系统的稳定性至关重要。
芯片级安全与形式验证
在 2026 年，硬件安全不再是可选项。Johnson 计数器的非法状态特性如果处理不当，可能会成为侧信道攻击的切入点。例如，如果计数器因为电磁干扰进入非法状态并卡死，可能会导致整个系统的时钟树失效。
我们强烈建议在现代设计流程中引入 基于形式验证 的属性检查。这不仅仅是写几个 $display 语句，而是使用数学证明来确保无论输入如何混乱，状态机总会回到有效循环中。这就是我们常说的“高可用性硬件设计”。
结语：从门电路到智能系统的演进
回顾我们在 GeeksforGeeks 上的这篇经典文章，Mod 6 Johnson 计数器依然是那个由 3 个触发器组成的简单电路。但是，作为 2026 年的硬件工程师，我们看待它的方式已经变了。我们不再只是连接导线，而是在构建安全、可验证、且具有自愈能力的智能子系统。
通过结合 AI 辅助的验证流程、企业级的异常处理机制以及对边缘计算场景的深入理解，我们将这些基础的数字逻辑模块转化为了未来科技的基石。希望这篇文章能帮助你不仅掌握 Johnson 计数器的原理，更能理解如何在现代开发流程中优雅地应用它们。
让我们继续在代码与逻辑的世界里探索，下一次我们将讨论如何将这些经典计数器与现代的 RISC-V 处理器进行总线互联。