[文档].艾米电子 - 分频器，Verilog

对读者的假设

已经掌握：

• 可编程逻辑基础
• Verilog HDL基础
• 使用Verilog设计的Quartus II入门指南
• 使用Verilog设计的ModelSIm入门指南

内容

1 从计数器到分频器

此处所说的分频器，即把输入时钟的频率降低后再输出时钟的模块。今天我们只讨论等占空比的偶数分频和奇数分频，关于小数分频以及倍频将不做介绍，有兴趣的朋友可以自行研究。在之之前我们先看下前面讲的模-m计数器。

代码1.1 模-m计数器（缺省为模-10计数器）

module mod_m_bin_counter
#(parameter M=10) // mod-M
(
  // global clock and asyn reset
  input clk,
  input rst_n,
  // counter interface
  output max_tick,
  output min_tick,
  output [N-1:0] q
);

// signal declaration
localparam N = log2(M); // number of bits in counter
reg [N-1:0] r_reg;
wire [N-1:0] r_next;

// body
// register
always@(posedge clk, negedge rst_n)
  if(!rst_n)
    r_reg <= 0;
  else
    r_reg <= r_next;
   
// next-state logic
assign r_next = (r_reg == (M-1)) ? 0 : r_reg + 1'b1;
//output logic
assign q = r_reg;
assign max_tick = (r_reg == (M-1)) ? 1'b1 : 1'b0;


// log2 constant function
function integer log2(input integer n);
  integer i;
begin
  log2 = 1;
  for(i=0; 2**i<n; i = i + 1)
    log2 = i + 1;
end
endfunction                
endmodule

根据这个模-m计数器，我们再写一个testbench。

代码1.2 模m-计数器的testbench（重新配置为模-10计数器）

`timescale 1ns/1ns
module f_div_tb;
localparam T=20; // clock period
localparam M = 10;
localparam N = log2(M);
// global clock and asyn reset
reg clk, rst_n;
wire o_clk;
// counter interface
wire max_tick, min_tick;
wire [N-1:0] q;


// log2 constant function
function integer log2(input integer n);
  integer i;
begin
  log2 = 1;
  for(i=0; 2**i<n; i = i + 1)
    log2 = i + 1;
end
endfunction


// clcok
always
begin
  clk = 1'b0; 
  #(T/2);
  clk = 1'b1;
  #(T/2);
end


// reset
initial
begin
  rst_n = 1'b0;
  #(T/2)
  rst_n = 1'b1;
end


// inst
mod_m_bin_counter #(.M(M)) m_inst
(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .max_tick(max_tick),
  .min_tick(min_tick),
  .q(q)
);


// stimulus body
initial 
begin
  // initial input 
  @(posedge rst_n); // wait to deassert rst_n
  @(negedge clk); // wait for a clock
  // run 1024 cock cycle
  repeat(1024) @(negedge clk); // last 1024 clock cycle
  $stop;
end
endmodule

但是我在使用Quartus II + Modelsim_Altera仿真的时候出现了下面的错误提示。

代码2的第10行，变量N未定义，然后第11行用N来索引的q数组也没有定义。奇怪了，我在Quartus II都能综合通过，而且RTL视图也是正确的，为什么Modelsim_Altera就不可以这样定义呢？咳，把常量（localparam）换成参数（parameter）即可。

代码1.3 改进后的模-m计数器（重新配置为模-10计数器）

module mod_m_bin_counter
#(parameter M=10, N = log2(M)) // mod-M
(
  // global clock and asyn reset
  input clk,
  input rst_n,
  // counter interface
  output max_tick,
  output min_tick,
  output [N-1:0] q
);

// signal declaration
//localparam N = log2(M); // number of bits in counter
reg [N-1:0] r_reg;
wire [N-1:0] r_next;

// body
// register
always@(posedge clk, negedge rst_n)
  if(!rst_n)
    r_reg <= 0;
  else
    r_reg <= r_next;
   
// next-state logic
assign r_next = (r_reg == (M-1)) ? 0 : r_reg + 1'b1;
//output logic
assign q = r_reg;
assign min_tick = (r_reg == 0) ? 1'b1 : 1'b0;
assign max_tick = (r_reg == (M-1)) ? 1'b1 : 1'b0;


// log2 constant function
function integer log2(input integer n);
  integer i;
begin
  log2 = 1;
  for(i=0; 2**i<n; i = i + 1)
    log2 = i + 1;
end
endfunction                
endmodule

修改完，在Quartus II里再综合一下。接下来就是按照[文档].艾米电子 - 使用Verilog设计的Quartus II入门指南再做一次仿真。告诉大家一个技巧，如果执行完一次RTL级或门级的仿真，那么Quartus II会为我们的主模块及其testbench生成do文件的。这样假如有错误，就无需重新启动Modelsim_Altera，只需重新load一下do文件即可。

（路径格式：Quarter II工程文件夹\simulation\modelsim\mod_m_bin_counter_run_msim_rtl_verilog.do）

下面看下RTL级仿真波形。

 

下面讨论一下如何测量波形的长度，我们注意两个工具。在Modelsim>Windows处，打开 ，对应的工具为 。下面在波形上加（ ）几个Cursor，使用鼠标调整其位置。

注意红色区域及标识，我们可以清楚地看到两个Cursor之间的距离为20, 000ps，亦即20ns，也就是模-10计数器的周期。那么怎么让它显示20ns呢？在坐标轴区域（ ），右键选择 ，设置所需时间单元。

修改为ns，顺便测一下max_tick和min_tick脉冲的持续时间，显示如下：

 

测量完，可通过 ，把不需要的Cursor去掉。

换一种视角看波形。

假设我们以max_tick作为使能信号，来翻转某个寄存器，那么这个变量就会输出方波，且其周期为模-m周期的2倍。

这就是偶数分频器的原理。

 

假如我们分别使用全局时钟的上升沿和下降沿触发计数器，然后根据两个计数器的值来生成时钟，再拿这两个时钟运算，得到所需分频的时钟。下面以模-3计数器为例来说明如何3分频。

方法1

黄色区域分别为分别使用全局时钟的上升沿和下降沿触发计数器；绿色区域为根据两个计数器的输出q生成的两个脉冲信号；青色区域为所需分频时钟。

绿色区域是0 ~ 3>>1输出低电平，3>> ~ 3-1输出高电平；对应的绿色区域做按位或运算。

方法2

绿色区域是0 ~ 3>>1输出高电平，3>> ~ 3-1输出低电平；对应的绿色区域做按位与运算。

以上就是技术分频的原理。

2 偶数分频器

根据第1节的解析，下面我们写一个偶数分频的案例。

代码 2.1 偶数分频（缺省分频比为50, 000, 000）

module f_div
#(parameter RATIO=50_000_000)
(
  // global clock and asyn reset
  input clk,
  input rst_n,
  //output clock
  output reg o_clk
);

wire max_tick;

mod_m_bin_counter #(.M(RATIO/2)) mod_m_inst
(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .max_tick(max_tick),
  .min_tick(),
  .q()
);

always@(posedge clk, negedge rst_n)
  if(!rst_n)
    o_clk <= 1'b0;
  else if(max_tick)
    o_clk <= ~o_clk;

endmodule

第22~26行，我们使用模-m计数器的max_tick来作为时钟使能，驱动o_clk翻转。注意第13行的模-m例化参数中，M的值为分频比RATIO的一半。

下面给出testbench。

代码2.2 偶数分频的testbench（重新配置为6分频）

`timescale 1ns/1ns
module f_div_tb;
localparam RATIO = 6;
localparam T=20; // clock period
// global clock and asyn reset
reg clk, rst_n;
wire o_clk;


// clcok
always
begin
  clk = 1'b0; 
  #(T/2);
  clk = 1'b1;
  #(T/2);
end


// reset
initial
begin
  rst_n = 1'b0;
  #(T/2)
  rst_n = 1'b1;
end


// inst
f_div #(.RATIO(RATIO)) f_div_inst
(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .o_clk(o_clk)
);


// stimulus body
initial 
begin
  // initial input 
  @(posedge rst_n); // wait to deassert rst_n
  @(negedge clk); // wait for a clock
  // run 1024 cock cycle
  repeat(1024) @(negedge clk); // last 1024 clock cycle
  $stop;
end
endmodule

RTL级仿真波形如下所示。观察3个Cursor的间距，分别为120ns、20ns，即实现了6分频动作。

 

3 奇数分频器

讲完了偶数分频，下面再写个奇数分频。

代码3.1 奇数分频（缺省为25分频）

module f_div
#(parameter RATIO=25)
(
  // global clock and asyn reset
  input clk,
  input rst_n,
  //output clock
  output o_clk_p, o_clk_n, o_clk
);

// log2 constant function
function integer log2(input integer n);
  integer i;
begin
  log2 = 1;
  for(i=0; 2**i<n; i = i + 1)
    log2 = i + 1;
end
endfunction

localparam N = log2(RATIO);
wire [N-1:0] q_pos, q_neg;

mod_m_bin_counter #(.M(RATIO)) mod_m_inst1
(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .max_tick(),
  .min_tick(),
  .q(q_pos)
);

mod_m_bin_counter #(.M(RATIO)) mod_m_inst2
(
  .clk(~clk),
  .rst_n(rst_n),
  .max_tick(),
  .min_tick(),
  .q(q_neg)
); 

assign o_clk_p = (q_pos <= RATIO>>1) ? 0 : 1; 
assign o_clk_n = (q_neg <= RATIO>>1) ? 0 : 1;
assign o_clk = o_clk_n | o_clk_p;
  
endmodule

第24~31行和第33~40行，我们分别例化了两个相同参数的模-m计数器，不同点在于第26行和第35行的区别，即上升沿触发和下降沿触发两种。

下面给出testbench。

代码3.2 奇数分频的testbench（重新配置为5分频）

`timescale 1ns/1ns
module f_div_tb;
localparam RATIO = 5;
localparam T=20; // clock period
// global clock and asyn reset
reg clk, rst_n;
wire o_clk_p, o_clk_n, o_clk;


// clcok
always
begin
  clk = 1'b0; 
  #(T/2);
  clk = 1'b1;
  #(T/2);
end


// reset
initial
begin
  rst_n = 1'b0;
  #(T/2)
  rst_n = 1'b1;
end


// inst
f_div #(.RATIO(RATIO)) f_div_inst
(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .o_clk_p(o_clk_p),
  .o_clk_n(o_clk_n),
  .o_clk(o_clk)
);


// stimulus body
initial 
begin
  // initial input 
  @(posedge rst_n); // wait to deassert rst_n
  @(negedge clk); // wait for a clock
  // run 1024 cock cycle
  repeat(1024) @(negedge clk); // last 1024 clock cycle
  $stop;
end
endmodule 

下面给出RTL级别仿真波形。红圈内的Cursor测距显示，5分频OK。

 

好了，今天就啰嗦到这里，大家有什么疑问可以留言讨论。

参考

[笔记].等占空比分频器的几种写法.[Verilog]

另见

[与艾米一起学FPGA/SOPC].[逻辑实验文档连载计划]