實(shí)驗(yàn)17：分頻器

設(shè)計(jì)一個(gè)任意整數(shù)分頻器。

時(shí)鐘信號(hào)的處理是FPGA的特色之一，因此分頻器也是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本設(shè)計(jì)之一。一般在FPGA中都有集成的鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)各種時(shí)鐘的分頻和倍頻設(shè)計(jì)，但是通過語言設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)鐘分頻是最基本的訓(xùn)練，在對(duì)時(shí)鐘要求不高的設(shè)計(jì)時(shí)也能節(jié)省鎖相環(huán)資源。在本實(shí)驗(yàn)中我們將實(shí)現(xiàn)任意整數(shù)的分頻器，分頻的時(shí)鐘保持50%占空比。 

1，偶數(shù)分頻：偶數(shù)倍分頻相對(duì)簡(jiǎn)單，比較容易理解。通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。如進(jìn)行N倍偶數(shù)分頻，那么通過時(shí)鐘觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到N/2-1時(shí)，輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以此循環(huán)下去。

2，奇數(shù)分頻： 如果要實(shí)現(xiàn)占空比為50%的奇數(shù)倍分頻，不能同偶數(shù)分頻一樣計(jì)數(shù)器記到一半的時(shí)候輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，那樣得不到占空比50%的時(shí)鐘。以待分頻時(shí)鐘CLK為例，如果以偶數(shù)分頻的方法來做奇數(shù)分頻，在CLK上升沿觸發(fā)，將得到不是50%占空比的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（正周期比負(fù)周期多一個(gè)時(shí)鐘或者少一個(gè)時(shí)鐘）；但是如果在CLK下降沿也觸發(fā)，又得到另外一個(gè)不是50%占空比的時(shí)鐘信號(hào)，這兩個(gè)時(shí)鐘相位正好相差半個(gè)CLK時(shí)鐘周期通過這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算我們可以巧妙的得到50%占空比的時(shí)鐘。

總結(jié)如下：對(duì)于實(shí)現(xiàn)占空比為50%的N倍奇數(shù)分頻，首先進(jìn)行上升沿觸發(fā)進(jìn)行模N計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)選定到某一個(gè)值進(jìn)行輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過（N-1）/2再次進(jìn)行翻轉(zhuǎn)得到一個(gè)占空比非50%奇數(shù)n分頻時(shí)鐘。再者同時(shí)進(jìn)行下降沿觸發(fā)的模N計(jì)數(shù)，到和上升沿觸發(fā)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)選定值相同值時(shí)，進(jìn)行輸出時(shí)鐘時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，同樣經(jīng)過（N-1）/2時(shí)，輸出時(shí)鐘再次翻轉(zhuǎn)生成占空比非50%的奇數(shù)n分頻時(shí)鐘。兩個(gè)占空比非50%的n分頻時(shí)鐘進(jìn)行邏輯運(yùn)算（正周期多的相與，負(fù)周期多的相或），得到占空比為50%的奇數(shù)n分頻時(shí)鐘。

用行為級(jí)描述任意整數(shù)分頻器
程序清單divide.v

 module divide #
 (								//parameter是verilog里參數(shù)定義
 parameter	WIDTH	=	24,		//計(jì)數(shù)器的位數(shù)，計(jì)數(shù)的最大值為 2**(WIDTH-1)
 parameter	N		=	12_000_000		//分頻系數(shù)，請(qǐng)確保 N<2**(WIDTH-1)，否則計(jì)數(shù)會(huì)溢出
 )
 (
 input		clk,		//clk連接到FPGA的C1腳，頻率為12MH
 zinput		rst_n,		//復(fù)位信號(hào)，低有效，
 output		clkout		//輸出信號(hào)，可以連接到LED觀察分頻的時(shí)鐘
 ); 
 reg	[WIDTH-1:0]	cnt_p,cnt_n;	//cnt_p為上升沿觸發(fā)時(shí)的計(jì)數(shù)器，cnt_n為下降沿觸發(fā)時(shí)的計(jì)數(shù)器
 reg	clk_p,clk_n;	//clk_p為上升沿觸發(fā)時(shí)分頻時(shí)鐘，clk_n為下降沿觸發(fā)時(shí)分頻時(shí)鐘 
 /**********上升沿觸發(fā)部分**************************************/
 //上升沿觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制
 always @(posedge clk or negedge rst_n)	//posedge和negedge是verilog表示信號(hào)上升沿和下降沿
	begin		//當(dāng)clk上升沿來臨或者rst_n變低的時(shí)候執(zhí)行一次always里的語句
		if(!rst_n)
			cnt_p <= 1'b0;
		else if(cnt_p == (N-1))
			cnt_p <= 1'b0;
		else 
			cnt_p <= cnt_p + 1'b1;		//計(jì)數(shù)器一直計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到N-1的時(shí)候清零，這是一個(gè)模N的計(jì)數(shù)器
	end 
//上升沿觸發(fā)的分頻時(shí)鐘輸出,如果N為奇數(shù)得到的時(shí)鐘占空比不是50%；如果N為偶數(shù)得到的時(shí)鐘占空比為50%
always @(posedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			clk_p <= 1'b0;
		else if(cnt_p < (N>>1))			//N>>1表示右移一位，相當(dāng)于除以2取商
			clk_p <= 1'b0;
		else 
			clk_p <= 1'b1;		//得到的分頻時(shí)鐘正周期比負(fù)周期多一個(gè)clk時(shí)鐘
	end
	/*****************下降沿觸發(fā)部分**************************************/
	//下降沿觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制        	
	always @(negedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			cnt_n <= 1'b0;
		else if(cnt_n == (N-1))
			cnt_n <= 1'b0;
		else 
			cnt_n <= cnt_n + 1'b1;
	end 
	//下降沿觸發(fā)的分頻時(shí)鐘輸出，和clk_p相差半個(gè)clk時(shí)鐘
always @(negedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			clk_n <= 1'b0;
		else if(cnt_n < (N>>1))  
			clk_n <= 1'b0;
		else 
			clk_n <= 1'b1;	//得到的分頻時(shí)鐘正周期比負(fù)周期多一個(gè)clk時(shí)鐘
	end
	/*************************************************************************/
	wire	clk1 = clk;				//當(dāng)N=1時(shí)，直接輸出clk
	wire	clk2 = clk_p;			//當(dāng)N為偶數(shù)也就是N的最低位為0，N[0]=0，輸出clk_p
	wire	clk3 = clk_p & clk_n;	//當(dāng)N為奇數(shù)也就是N最低位為1，N[0]=1，輸出clk_p&clk_n。正周期多所以是相與 
	assign clkout = (N==1)? clk1:(N[0]? clk3:clk2);	//條件判斷表達(dá)式
	endmodule

1. 打開Lattice Diamond，建立工程。
2. 新建Verilog HDL設(shè)計(jì)文件，并鍵入設(shè)計(jì)代碼。
3. 根據(jù)邏輯綜合并分配管腳，在本實(shí)驗(yàn)中引腳分配如下：clk—C1,rst_n—L14,clkout—N13
4. 如果仿真無誤，構(gòu)建并輸出編程文件，燒寫至FPGA的Flash之中。
5. 觀察輸出結(jié)果。