用Verilog语言实现任意整数分频器分频器是FPGA设计中使用频率非常高的基本设计之一,尽管在目前大部分设计中,广泛使用芯片厂家集成的锁相环资源,如赛灵思(Xilinx)的DLL.来进行时钟的分频,倍频以及相移。
但是对于时钟要求不高的基本设计,通过语言进行时钟的分频相移仍然非常流行,首先这种方法可以节省芯片内部的锁相环资源,再者,消耗不多的逻辑单元就可以达到对时钟操作的目的。
另一方面,通过语言设计进行时钟分频,可以看出设计者对设计语言的理解程度。
因此很多招聘单位在招聘时往往要求应聘者写一个分频器(比如奇数分频)以考核应聘人员的设计水平和理解程度。
下面讲讲对各种分频系数进行分频的方法:第一,偶数倍分频:偶数倍分频应该是大家都比较熟悉的分频,通过计数器计数是完全可以实现的。
如进行N倍偶数分频,那么可以通过由待分频的时钟触发计数器计数,当计数器从0计数到N/2-1时,输出时钟进行翻转,并给计数器一个复位信号,使得下一个时钟从零开始计数。
以此循环下去。
这种方法可以实现任意的偶数分频。
电路上只需一个D触发器和一个非门即可实现,Q(n+1)=D,D=~Q(n),clk_out=Q(n+1) .第二,奇数倍分频:奇数倍分频常常在论坛上有人问起,实际上,奇数倍分频有两种实现方法:占空比为非50%的三分频时钟,完全可以通过计数器来实现,如进行三分频,通过待分频时钟上升沿触发计数器进行模三计数,当计数器计数到邻近值进行两次翻转,比如可以在计数器计数到1时,输出时钟进行翻转,计数到2时再次进行翻转。
即是在计数值在邻近的1和2进行了两次翻转。
这样实现的三分频占空比为1/3或者2/3。
module three(clk_in,rst,clk_out); // 三倍频inputclk_in,rst;output clk_out;reg clk_out;reg [1:0] count;always @(negedgerst or posedgeclk_in)beginif(rst==0) begin count<=0; clk_out<=0; endelsebegin count<=count+1;if(count==1) clk_out<=~clk_out;else if(count==2) begin clk_out=~clk_out; count<=0; endendendendmodule仿真图另一种实现:module div3(CLKIN,CLKOUT,RESETn); //依然是三倍频inputCLKIN,RESETn;output CLKOUT;wire d;wireCLKOUT;reg q1,q2;always @(negedgeRESETn or posedge CLKIN)beginif (RESETn==1'b0)q1<=1'b0;elseq1<=d; //q1是d延迟一个时钟后的信号endalways @(negedgeRESETn or posedge CLKIN)beginif (RESETn==1'b0) q2<=1'b0;elseq2<=q1; //q2是q1延迟一个时钟后的信号endassign d=~q1 & ~q2; //d在一个周期内,一个clk为高,另外两个clk为低assign CLKOUT=q2;endmodule仿真图电路中,利用两个D触发器和简单的门电路即可实现。
如果要实现占空比为50%的三分频时钟,可以通过待分频时钟下降沿触发计数,和上升沿同样的方法计数进行三分频,然后下降沿产生的三分频时钟和上升沿产生的时钟进行相或运算,即可得到占空比为50%的三分频时钟。
这种方法可以实现任意的奇数分频。
归类为一般的方法为:●对于实现占空比为50%的N倍奇数分频,首先进行上升沿触发进行模N计数,计数选定到某一个值进行输出时钟翻转,然后经过(N-1)/2再次进行翻转得到一个占空比非50%奇数n分频时钟。
●再者同时进行下降沿触发的模N计数,到和上升沿触发输出时钟翻转选定值相同值时,进行输出时钟时钟翻转,同样经过(N-1)/2时,输出时钟再次翻转生成占空比非50%的奇数n分频时钟。
●两个占空比非50%的n分频时钟相或运算,得到占空比为50%的奇数n分频时钟。
举例:用Verilog语言写的三分频电路方法一://上升沿触发的分频设计module three(clkin, clkout);input clkin;//定义输入端口output clkout;//定义输出端?reg [1:0] step1, step;always @(posedgeclkin)begincase (step) //这个状态机就是一个计数器2'b00: step<=2'b01;2'b01: step<=2'b10;2'b10: step<=2'b00;default :step<=2'b00;endcaseendalways @(negedgeclkin) //step1与step相差半个clkbegincase (step1)2'b00: step1<=2'b01;2'b01: step1<=2'b10;2'b10: step1<=2'b00;default :step1<=2'b00;endcaseendassign clkout=step[1] | step1[1]; //利用step和step1高位的或运算,实现在1.5个clk时翻转。
endmodule用Verilog语言写五分频电路,占空比为50%:module div_5 ( clkin,rst,clkout );input clkin,rst;output clkout;reg [2:0] step1, step2;always @(posedgeclkin )if(!rst)step1<=3'b000;elsebegincase (step1)3'b000: step1<=3'b001;3'b001: step1<=3'b011;3'b011: step1<=3'b100;3'b100: step1<=3'b010;3'b010: step1<=3'b000;default:step1<=3'b000;endcaseendalways @(negedgeclkin )if(!rst)step2<=3'b000;elsebegincase (step2)3'b000: step2<=3'b001;3'b001: step2<=3'b011; //注意调换了顺序,目的为了使最低位为1的情况互邻3'b011: step2<=3'b100;3'b100: step2<=3'b010;3'b010: step2<=3'b000;default:step2<=3'b000;endcaseendassign clkout=step1[0] | step2[0]; //step1与step2 最低位相或endmodule下面给出一个任意整数分频器的代码:module divn(clk,rst_n,o_clk);input clk,rst_n;output o_clk;parameter WIDTH = 3;parameter N = 5;reg [WIDTH-1:0] cnt_p,cnt_n; //count_pose,count_negeregclk_p,clk_n;assign o_clk = (N==1)? clk : (N[0])?(clk_p&clk_n) :clk_p;//如果N=1,o_clk=clk; 如果N为偶数,o_clk=clk_p; 如果N为奇数,o_clk=clk_p&clk_n,//之所以是相与运算,是因为clk_p和clk_n两者高电平比低电平多一个clk,而两者相差半个clk,相与结果使o_clk占空比为50%always @ (posedgeclk or negedgerst_n)if(!rst_n)cnt_p<=0;else if (cnt_p==(N-1))cnt_p<=0;else cnt_p<=cnt_p+1;always @ (posedgeclk or negedgerst_n)if(!rst_n)clk_p<=0;else if (cnt_p<(N>>1))clk_p<=0; //N>>1,计数到N/2时,时钟翻转。
如果将cnt_p<改成cnt_p<=,则clk_p低电平比//高电平多一个clk,如果clk_n也做类似修改,则N为奇数时,应执行相或运算,o_clk=clk_p | clk_nelse clk_p<=1;always @ (negedgeclk or negedgerst_n)if(!rst_n)cnt_n<=0;else if (cnt_n==(N-1))cnt_n<=0;else cnt_n<=cnt_n+1;always @ (negedgeclk or negedgerst_n)if(!rst_n)clk_n<=0;else if (cnt_n<(N>>1))clk_n<=0;else clk_n<=1;endmodule另外一种方法:对进行奇数倍n分频时钟,首先进行n/2分频(带小数,即等于(n-1)/2+0.5),然后再进行二分频得到。
得到占空比为50%的奇数倍分频。
小数分频(分子不为1)下面讲讲进行小数分频的设计方法小数分频:首先讲讲如何进行n+0.5分频,这种分频需要对输入时钟进行操作。
基本的设计思想:对于进行n+0.5分频,首先进行模n的计数,在计数到n-1时,输出时钟赋为‘1’,回到计数0时,又赋为0,因此,可以知道,当计数值为n-1时,输出时钟才为1,因此,只要保持计数值n-1为半个输入时钟周期,即实现了n+0.5分频时钟,因此保持n-1为半个时钟周期即是一个难点。