作者：默宸 来源：FPGA技术联盟
看电路图画波形
本文转载自CSDN李锐博恩Reborn某校招题目，仅仅给出下面电路图，要求画出Q1,Q2以及Q3的波形，并描述电路功能。
可以看出，这个电路很简单，或许你会纠结于初值是什么，可是仔细想想，该电路其实和初值没有关系，第一个触发器的输入是第二个以及第三个触发器的输出的反馈，是Q1与Q2的或非，只要触发器复位有初值即可，一般触发器复位初值为0，这里也默认为0，那么输入值在复位时应该为1.
正常运行时（复位无效），q0的第一个值为复位值延迟一拍并持续一个时钟，之后q1、q2就简单了。
为了清晰的分析这个问题，我们把这个电路用Verilog描述出来，之后验证。
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
//
// Create Date: 2019/07/24 19:57:47
// Design Name:
// Module Name: test
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module test(
input rst_n,
input clk,
output out2
);
wire in1;
reg q0, q1, q2;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
q0 <= 1'b0;
q1 <= 1'b0;
q2 <= 1'b0;
end
else begin
q0 <= in1;
q1 <= q0;
q2 <= q1;
end
end
assign in1 = !q0 & !q1;
assign out2 = q2;
endmodule
生成对应RTL原理图如下：
可见，和题目所给的电路图几乎一致。在仿真验证：
仿真验证：
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer: reborn lee
//
// Create Date: 2019/07/24 20:19:38
// Design Name:
// Module Name: sim_test
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module sim_test(
);
reg clk;
reg rst_n;
wire out2;
initial begin
clk = 0;
forever
#2 clk = ~clk;
end
initial begin
rst_n = 1'b0;
#5
rst_n = 1'b1;
end
test test_tb(
.rst_n(rst_n),
.clk(clk),
.out2(out2)
);
endmodule
观察波形图，与我们分析的一致。
任意切换的时钟分频电路
题目要求写出代码实现以下功能，任意切换1-8分频，且无论奇分频还是偶分频，占空比均为50%。
电路设计步骤分为两部分：
第一：
确定整体架构，包括输入输出：如何任意切换？我写了一个分频模块，其中一个输入为div，范围为1-8。
input clk,
input [3:0] div,
input rst_n,
output clk_out
第二：
确定分频实现电路，分频大家都会写，实现过程可分为奇分频与偶分频的实现，两种的实现方法是不一样的，偶分频简单，计数即可，奇分频需要三个步骤，第一、计数，第二、下降沿采样，第三、相与或相或，具体实现方法后面再说。
确定好输入输出之后，还需要一个使能信号，当输入分频述div后，使能某一种分频模式使能，有8种分频模式，当然不能傻傻地设置8个使能变量，en1，en2，...，en8；这样很不好看，而且不利于后面程序编写，那怎么办呢？我的方式是：
reg [7:0] fre_en;
每次只能使能一位，fre_en[i]使能代表i+1分频模式有效。
通过div的值来确认某种模式使能，其实现如下：
localparam DIV1 = 1, DIV2 = 2, DIV3 = 3, DIV4 = 4;
localparam DIV5 = 5, DIV6 = 6, DIV7 = 7, DIV8 = 8;
reg [7:0] fre_en;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
fre_en <= 0;
end
else begin
case(div)
DIV1: fre_en <= 8'b0000_0001;
DIV2: fre_en <= 8'b0000_0010;
DIV3: fre_en <= 8'b0000_0100;
DIV4: fre_en <= 8'b0000_1000;
DIV5: fre_en <= 8'b0001_0000;
DIV6: fre_en <= 8'b0010_0000;
DIV7: fre_en <= 8'b0100_0000;
DIV8: fre_en <= 8'b1000_0000;
endcase
end
end
奇分频和偶分频，二者均有计数过程，但是这里想做出一点改变，因为1分频等于没分频，2分频直接对输出时钟取反即可，其他分频和计数有关。
我们写一个计数器，用于其他分频模式，8分频需要计数次数最多，我们设计数器位数为4位，其实3位就够了。
根据模式使能确定计数次数。
//计数模块
reg [3:0] fre_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
fre_cnt <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: begin
;
end
fre_en[1]: begin
;
end
fre_en[2]: begin //3分频计数
if(fre_cnt < 2) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[3]: begin
if(fre_cnt < 3) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[4]: begin
if(fre_cnt < 4) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[5]: begin
if(fre_cnt < 5) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[6]: begin
if(fre_cnt < 6) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[7]: begin
if(fre_cnt < 7) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
endcase
end
end
有了计数模块，就可以设计分频实现模块了，根据分频使能来确定分频模式，不同的分频模式对应不同的分频实现方式。
reg clk_out_r;
reg clk_even;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
clk_even <= 0;
clk_out_r <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: begin //1 分频
;
end
fre_en[1]: begin //2 分频
clk_even <= ~clk_even;
end
fre_en[2]: begin //3 分频
if(fre_cnt == 1) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 2) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[3]: begin //4 分频
if(fre_cnt == 1) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt ==3) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
fre_en[4]: begin //5分频
if(fre_cnt == 2) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 4) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[5]: begin // 6分频
if(fre_cnt == 2) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt == 5) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
fre_en[6]: begin //7 分频
if(fre_cnt == 3) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 6) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[7]: begin //8 分频
if(fre_cnt == 3) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt == 7) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
endcase
end
end
考虑到奇数分频最后的输出clk_out需要一段组合逻辑，所以需要使能wire类型。这就导致这个分频实现模块里不能直接使用clk_out作为左值。用clk_even用作偶分频输出clk_out的缓冲；至于clk_out_r，以及clk_out_rr是为了奇分频而声明的。
至于偶分频，则需要计数一半反转一次，计数结束反转一次即可。好了，下面继续解决奇分频的下降沿采样问题：
//下降沿采样模块
reg clk_out_rr;
always @(negedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
clk_out_rr <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: ;
fre_en[1]: ;
fre_en[2]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[3]: ;
fre_en[4]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[5]: ;
fre_en[6]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[7]: ;
endcase
end
end
最后输出分频时钟：
//产生分频时钟
assign clk_out = ( fre_en[0] | fre_en[1] | fre_en[3] | fre_en[5] | fre_en[7] )? clk_even : clk_out_r | clk_out_rr;
先给出一个仿真，假如输入div为5，则进行5分频，则：
假如输入div为6则进行6分频：
先5分频在1分频：
最后给出完整版程序以及测试。
完整版程序：
//任意切换1——8分频电路设计(某芸科技)，无论是奇分频还是偶分频，占空比均为50%
module Fre_Div(
input clk,
input [3:0] div,
input rst_n,
output clk_out
);
localparam DIV1 = 1, DIV2 = 2, DIV3 = 3, DIV4 = 4;
localparam DIV5 = 5, DIV6 = 6, DIV7 = 7, DIV8 = 8;
reg [7:0] fre_en;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
fre_en <= 0;
end
else begin
case(div)
DIV1: fre_en <= 8'b0000_0001;
DIV2: fre_en <= 8'b0000_0010;
DIV3: fre_en <= 8'b0000_0100;
DIV4: fre_en <= 8'b0000_1000;
DIV5: fre_en <= 8'b0001_0000;
DIV6: fre_en <= 8'b0010_0000;
DIV7: fre_en <= 8'b0100_0000;
DIV8: fre_en <= 8'b1000_0000;
endcase
end
end
reg clk_out_r;
reg clk_even;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
clk_even <= 0;
clk_out_r <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: begin //1 分频
;
end
fre_en[1]: begin //2 分频
clk_even <= ~clk_even;
end
fre_en[2]: begin //3 分频
if(fre_cnt == 1) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 2) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[3]: begin //4 分频
if(fre_cnt == 1) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt ==3) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
fre_en[4]: begin //5分频
if(fre_cnt == 2) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 4) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[5]: begin // 6分频
if(fre_cnt == 2) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt == 5) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
fre_en[6]: begin //7 分频
if(fre_cnt == 3) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else if(fre_cnt == 6) clk_out_r <= ~clk_out_r;
else clk_out_r <= clk_out_r;
end
fre_en[7]: begin //8 分频
if(fre_cnt == 3) clk_even <= ~clk_even;
else if(fre_cnt == 7) clk_even <= ~clk_even;
else clk_even <= clk_even;
end
endcase
end
end
//下降沿采样模块
reg clk_out_rr;
always @(negedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
clk_out_rr <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: ;
fre_en[1]: ;
fre_en[2]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[3]: ;
fre_en[4]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[5]: ;
fre_en[6]: begin
clk_out_rr <= clk_out_r;
end
fre_en[7]: ;
endcase
end
end
//产生分频时钟
assign clk_out = fre_en[0] ? clk :( ( fre_en[1] | fre_en[3] | fre_en[5] | fre_en[7] )? clk_even : clk_out_r | clk_out_rr );
//计数模块
reg [3:0] fre_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
fre_cnt <= 0;
end
else begin
case(1'b1)
fre_en[0]: begin
;
end
fre_en[1]: begin
;
end
fre_en[2]: begin //3分频计数
if(fre_cnt < 2) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[3]: begin
if(fre_cnt < 3) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[4]: begin
if(fre_cnt < 4) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[5]: begin
if(fre_cnt < 5) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[6]: begin
if(fre_cnt < 6) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
fre_en[7]: begin
if(fre_cnt < 7) fre_cnt <= fre_cnt + 1;
else fre_cnt <= 0;
end
endcase
end
end
endmodule
测试：
module Sim_Freq_Div(
);
reg clk;
reg rst_n;
reg [3:0] div;
wire clk_out;
initial begin
clk = 0;
forever
#2 clk = ~clk;
end
initial begin
rst_n = 0;
div = 5;
#15
rst_n = 1;
#60
div = 1;
end
Fre_Div fre_div_tb(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.div(div),
.clk_out(clk_out)
);
endmodule
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