【数字IC手撕代码】Verilog奇数分频|题目|原理|设计|仿真（三分频，五分频，奇数分频及特殊占空比）

前言

本系列旨在提供100%准确的数字IC设计/验证手撕代码环节的题目，原理，RTL设计，Testbench和参考仿真波形，每篇文章的内容都经过仿真核对。快速导航链接如下：
奇数分频
偶数分频
半整数分批
小数/分数分频
序列检测器
模三检测器
饮料机
异步复位，同步释放
边沿检测（上升沿，下降沿，双边沿)
全加器，半加器
格雷码转二进制
单bit跨时钟域（打两拍，边沿同步，脉冲同步）
同步FIFO

应当说，手撕代码环节是面试流程中既重要又简单的一个环节，跟软件类的岗位相比起来，数字IC的手撕代码题目固定，数量有限，属于整个面试中必得分的一个环节，在这个系列以外，笔者同样推荐数字IC求职者使用“HdlBits”进行代码的训练
链接如下
HDLBits — Verilog Practice

奇数分频电路题目

1.实现三分频电路，不需要满足50%占空比。
2.实现五分频电路，不需要满足50%占空比。
3.实现任意奇数分频，不需要满足50%占空比。
4.实现奇数分频，需要满足占空比50%。

奇数分频电路原理

不需要满足50%占空比的分频电路

以题目一为例 画出本题目的时序图，如图，可以发现，假如Clock是输入的时钟信号，Clock2是输出的50%占空比的三分频信号，那么对于计数器，Clock2实现的操作是：当采样边沿每次遇到count=0的时候进行翻转，每次遇到1的时候再次完成翻转，根据此，加上复位信号，我们即可完成RTL代码。

需要满足50%占空比的分频电路

以实现50%占空比的题目一为例 画出本题目所需的时序图，如图，可以发现，假如Clock是输入的时钟信号，logic_or是输出的50%占空比的三分频信号，那么我们需要两个计数器，一个上升沿计数器，一个下降沿计数器，计数的最大值都是2，对待这两个计数器，我们可以执行相同的操作：即在边沿采样的时候如果发现计数器的值是1或者2，那么则翻转信号clk2，体现在posedge_clk2和negedge_clk2上，这两个信号取”相或“操作，得到logic_or就是50%占空比的分频电路

非50%占空比的三分频电路

RTL设计

module f3(clk, rst_n,clk2);

input clk;
input rst_n;
output clk2;

reg       clk2_r;
assign    clk2 = clk2_r;

reg [2:0] count;
parameter N = 3;


always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n || count == N-1)
count <= 3'd0;
else
count <= count +1'd1;
end

always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
clk2_r <= 3'd0;
else if (count == 3'd0 || count == 3'd1)
clk2_r <= !clk2_r;
else
clk2_r <= clk2_r;
end
endmodule

这里只需要修改N的值，即可改变分频，如N=5，同时改变count的位宽，即可实现五分频，以此类推，即可实现不要求占空比的任意分频电路

除了使用计数器去完成奇数分频操作，我们也可以使用状态机去来实现三分频电路
定义三个状态，状态1和2，clk的输出为0，状态3，clk的输出为1，也可以同样的实现三分频电路，以此类推，实现五分频电路和奇数分频电路。

Testbench

`timescale 1ns/1ps
module f3_tb();
reg clk;
reg rst_n;
wire clk2;

f3 u1(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk2(clk2));

always
#5 clk = ~clk;

initial
begin
clk = 0;
rst_n = 1;
#15
rst_n = 0;
#30
rst_n = 1;
#100
$stop;
end
endmodule

仿真波形

仿真结果分析
可以发现，在复位信号到来后，输出的初值出现，同时每当count=1和0时，output信号反转，三分频电路成功实现。

50%占空比的奇数分频电路（以三分频为例）

RTL设计

module f3(clk, rst_n,clk2);

input clk;
input rst_n;
output clk2;


reg [2:0] negedge_count;
reg [2:0] posedge_count;
reg posedge_clk2;
reg negedge_clk2;
parameter N = 3;


always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n || posedge_count == N-1)
posedge_count <= 3'd0;
else
posedge_count <= posedge_count +1'd1;
end


always@(negedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n || negedge_count == N-1)
negedge_count <= 3'd0;
else
negedge_count <= negedge_count +1'd1;
end

always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
posedge_clk2 <= 3'd0;
else if (posedge_count == 3'd1 || posedge_count == 3'd0)
posedge_clk2 <= !posedge_clk2;
else
posedge_clk2 <= posedge_clk2;
end


always@(negedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
negedge_clk2 <= 3'd0;
else if (negedge_count == 3'd1 || negedge_count == 3'd0)
negedge_clk2 <= !negedge_clk2;
else
negedge_clk2 <= negedge_clk2;
end

assign clk2 = posedge_clk2 || negedge_clk2;

Testbench

`timescale 1ns/1ps
module f3_tb();
reg clk;
reg rst_n;
wire clk2;

f3 u1(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk2(clk2));

always
#5 clk = ~clk;

initial
begin
clk = 0;
rst_n = 1;
#15
rst_n = 0;
#30
rst_n = 1;
#100
$stop;
end
endmodule

仿真波形

仿真结果分析
可以发现，在复位信号到来后，经最终的posedge与negedge_clk2相与后，最终实现了，50%占空比的三分频电路，若想将其扩展到7分频，9分频，只需要修改N和count的位数即可