2时序逻辑电路--触发器与锁存器

2.1.1同步复位D触发器

复位信号在所需时钟边沿才有效，复位操作需要同步于时钟故称作同步复位。

代码如下

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 1 module d_ff
 2 (
 3     input clk,
 4     input rst_n,
 5     input D,
 6     output reg Q,
 7     output O_n
 8 );
 9 
10 always @(posedge clk)
11     if(!rst_n)Q<=1'b0;
12     else Q<=D;
13 
14 assign Q_n=~Q;
15 
16 endmodule 

RTL级视图

Technology Map Viewer视图如下

2.1.2 异步复位D触发器

将上述语句改为always @(posedge clk or negedge rst_n)即构成异步复位D触发器。只要复位信号有效，输出立即复位。

很多写法中都采取异步复位模式，后面就不在讨论。

2.1.3 T触发器

代码如下

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 1 module t_ff
 2 (
 3     input clk,
 4     input rst_n,
 5     input T,
 6     output reg Q,
 7     output Q_n
 8 );
 9 
10 always @ (posedge clk or negedge rst_n)
11     if(!rst_n) Q<=1'b0;
12     else if(T) Q<=~Q;
13 
14 assign Q_n=~Q;
15 
16 endmodule 

Technology Map View如下

testbench如下

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 1 `timescale 1ns/1ns
 2 module t_ff_tb;
 3 reg clk,rst_n,T;
 4 wire Q,Q_n;
 5 //***************************************
 6 //时钟与复位激励
 7 parameter CLK_PERIOD=20,
 8           RESET_TIME=10;
 9 initial clk=0;
10 initial forever #(CLK_PERIOD/2) clk=~clk;
11 initial rst_n=0;
12 initial forever #RESET_TIME rst_n=1;
13 //***************************************
14 initial T=0;
15 initial forever #25 T={$random}%2;
16 initial #200 $stop;
17 
18 t_ff t_ff_inst
19 (
20     .clk(clk),
21     .rst_n(rst_n),
22     .Q(Q),
23     .Q_n(Q_n),
24     .T(T)
25 );
26 
27 endmodule 

{$random}%2表示产生0~2-1之间的随机正整数。

 RTL级仿真波形

2.1.4 门控D触发器

当clk为高电平时输出Q才随着输入D变化，clk为低电平时输出保持不变。门控D触发器表现的是组合逻辑电路的特点。

代码如下

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 1 module t_ff
 2 (
 3     input clk,
 4     input rst_n,
 5     input D,
 6     output reg Q,
 7     output Q_n
 8 );
 9 
10 always @ (*)
11     if(!rst_n) Q<=1'b0;
12     else if(clk) Q<=D;
13 
14 assign Q_n=~Q;
15 
16 endmodule 

Technology Map Viewer如下

2.1.5 亚稳态

对于D触发器，clk上升沿时输出Q等于输入D，其余时间保持不变。clk上升沿到来前D必须保持稳定的最短时间为触发器建立时间t_su,clk上升沿后D必须保持稳定的最短时间为触发器保持时间t_h。如果设计使得t_su,t_h不满足要求，触发器就会出现不稳定状态，称作亚稳态。Q随D变化而变化所需要的时间称作clk到D得传播延迟t_cQ。