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====

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// 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     



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Diamond的使用了解如何使用Diamond中集成的仿真工具。

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 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

====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 J5
rst_n J9
clkout N15


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,请看最常见的LED流水灯