STEP BY STEP! 带你快速上手小脚丫FPGA开发板——4.时钟分频

_张泽_

本帖最后由 _张泽_ 于 2017-8-14 10:36 编辑

时钟分频

在之前的实验中我们已经熟悉了小脚丫的各种外设，掌握了verilog的组合逻辑设计，接下来我们将学习时序逻辑的设计。

硬件说明

时钟信号的处理是FPGA的特色之一，因此分频器也是FPGA设计中使用频率非常高的基本设计之一。一般在FPGA中都有集成的锁相环可以实现各种时钟的分频和倍频设计，但是通过语言设计进行时钟分频是最基本的训练，在对时钟要求不高的设计时也能节省锁相环资源。在本实验中我们将实现任意整数的分频器，分频的时钟保持50%占空比。

1，偶数分频：偶数倍分频相对简单，比较容易理解。通过计数器计数是完全可以实现的。如进行N倍偶数分频，那么通过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，以此循环下去。

2，奇数分频：如果要实现占空比为50%的奇数倍分频，不能同偶数分频一样计数器记到一半的时候输出时钟翻转，那样得不到占空比50%的时钟。以待分频时钟CLK为例，如果以偶数分频的方法来做奇数分频，在CLK上升沿触发，将得到不是50%占空比的一个时钟信号（正周期比负周期多一个时钟或者少一个时钟）；但是如果在CLK下降沿也触发，又得到另外一个不是50%占空比的时钟信号，这两个时钟相位正好相差半个CLK时钟周期。通过这两个时钟信号进行逻辑运算我们可以巧妙的得到50%占空比的时钟。

总结如下：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分频时钟进行逻辑运算（正周期多的相与，负周期多的相或），得到占空比为50%的奇数n分频时钟。

Verilog代码

// ********************************************************************
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name : divide.v
// Module name : divide
// Author : STEP
// Description : clock divider
// Web : www.stepfpga.com
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date: |Changes Made:
// V1.0 |2017/03/02 |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:任意整数时钟分频
module divide ( clk,rst_n,clkout);
input clk,rst_n; //输入信号，其中clk连接到FPGA的C1脚，频率为12MHz
output clkout; //输出信号，可以连接到LED观察分频的时钟
//parameter是verilog里常数语句
parameter WIDTH = 3; //计数器的位数，计数的最大值为 2**WIDTH-1
parameter N = 5; //分频系数，请确保 N < 2**WIDTH-1，否则计数会溢出
reg [WIDTH-1:0] cnt_p,cnt_n; //cnt_p为上升沿触发时的计数器，cnt_n为下降沿触发时的计数器
reg clk_p,clk_n; //clk_p为上升沿触发时分频时钟，clk_n为下降沿触发时分频时钟
//上升沿触发时计数器的控制
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) //posedge和negedge是verilog表示信号上升沿和下降沿
//当clk上升沿来临或者rst_n变低的时候执行一次always里的语句
begin
if(!rst_n)
cnt_p<=0;
else if (cnt_p==(N-1))
cnt_p<=0;
else cnt_p<=cnt_p+1; //计数器一直计数，当计数到N-1的时候清零，这是一个模N的计数器
end
//上升沿触发的分频时钟输出,如果N为奇数得到的时钟占空比不是50%；如果N为偶数得到的时钟占空比为50%
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
clk_p<=0;
else if (cnt_p<(N>>1)) //N>>1表示右移一位，相当于除以2去掉余数
clk_p<=0;
else
clk_p<=1; //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
end
//下降沿触发时计数器的控制
always @ (negedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
cnt_n<=0;
else if (cnt_n==(N-1))
cnt_n<=0;
else cnt_n<=cnt_n+1;
end
//下降沿触发的分频时钟输出，和clk_p相差半个时钟
always @ (negedge clk)
begin
if(!rst_n)
clk_n<=0;
else if (cnt_n<(N>>1))
clk_n<=0;
else
clk_n<=1; //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
end
assign clkout = (N==1)?clk:(N[0])?(clk_p&clk_n):clk_p; //条件判断表达式
//当N=1时，直接输出clk
//当N为偶数也就是N的最低位为0，N（0）=0，输出clk_p
//当N为奇数也就是N最低位为1，N（0）=1，输出clk_p&clk_n。正周期多所以是相与
endmodule

复制代码

测试文件，进行功能仿真时需要编写testbench测试文件。verilog里的testbench文件和源文件一样也是.v文件，仿真能让我们更直观的观察信号波形，可以先阅读[[lattice_diamond的使用|Diamond的使用]]了解如何使用Diamond中集成的仿真工具。

// ********************************************************************
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name : divide_tb.v
// Module name : divide_tb
// Author : STEP
// Description : clock divider
// Web : www.stepfpga.com
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date: |Changes Made:
// V1.0 |2017/03/02 |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:divide.v时钟分频器的测试文件
`timescale 1ns/100ps //仿真时间单位/时间精度，时间单位要大于或者等于时间精度
module divide_tb(); //测试文件也是一个module，因为用于仿真所以无需输入输出信号
reg clk,rst_n; //需要产生的激励信号定义，激励信号需要过程块产生所以定义为reg型变量
wire clkout; //需要观察的输出信号定义，定义为wire型变量
//初始化过程块
initial
begin
clk = 0;
rst_n = 0;
#25 //#表示延时25个时间单位
rst_n = 1; //产生了一个初始25ns低电平，然后变高电平的复位信号
end
always #10 clk = ~clk; //每隔10ns翻转一次clk信号，也就是产生一个时钟周期20ns的clk，频率为50MHz
//module调用例化格式
divide #(.WIDTH(4),.N(11)) u1 ( //#后面的（）中为参数传递，如果不传递参数就是所调用模块中的参数默认值
//divide表示所要例化的module名称，u1是我们定义的例化名称，必须以字母开头
.clk (clk), //输入输出信号连接。 .clk表示module本身定义的信号名称；（clk）表示我们在这里定义的激励信号
.rst_n (rst_n), //在testbench里定义的信号名称可以与所要调用module的端口信号名称不同
.clkout (clkout)
);
endmodule

复制代码

引脚分配

小脚丫上的系统时钟连接到FPGA的C1脚，时钟为12MHz。你可以通过仿真波形观察分频时钟（注意仿真的时间是有限的，所以分频时钟频率需要较高）。如果我们想通过眼睛观察LED的闪烁，那么需要设置参数N和WIDTH得到一个频率较低的时钟（例如N=12000000，WIDTH=24，分频时钟周期为1秒）。

信号	引脚
clk	C1
rst_n	L14
clkout	N13

修改程序中的分频系数和计数器位数就能够调整LED闪烁速度（注意计数的最大值一定要保证超过分频系数N）。

小结
在本实验学习了如何进行任意整数的分频设计，我们产生各种时钟，通过修改程序还能实验调整输出时钟的频率、相位以及占空比，非常灵活。同时学习了如何编写testbench文件，了解verilog中如何例化module，在后面的学习中将会经常用到。在下个实验我们将进一步了解时序逻辑，如何利用时钟来进一步设计，请关注我们下一篇的文章——流水灯。

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