小宝学懂分频器（一）

本文介绍常见的电路——计数器，方便后续讲解分频电路。

分频器的原理就是计数，翻转，计数，翻转，所以我们先来了解一下计数器！

一、计数器

（1）计数器代码
  计数器，顾名思义就是在时钟的节拍下进行计数，一个简单的N位计数器的代码如下所示，这个计数器从0计数到2^N -1（共计数了2^N个数，也就是N位计数器。例如0，1，2，3，计数到2的2次方-1，共计2的2次方个数，是一个2位计数器）

module count#(parameter N=8)(
input clk,
input clear,
output[N-1:0] cnt_Q
);
reg[N-1:0] cnt;
assign cnt_Q = cnt;//傀儡8位寄存器

always@(posedge clk)
  if(clear)
    cnt <= 'h0;      //同步清 0，高电平有效
  else
    cnt <= cnt+1'b1; //加法计数

endmodule

  上述代码中，有一行很不起眼，always@(posedge clk)：同步复位。
  当复位信号发生变化时，并不立即生效，而是等到有效时钟沿采集到复位信号的变化后，才会对寄存器进行复位操作。 同步复位的过程是依赖于时钟信号的，所以称之为同步。由于在现有的大多数逻辑器件库中，触发器DFF都是只包含有异步复位端口，所以同步复位的使用会造成冗余组合逻辑的使用，浪费资源将同步复位改为异步复位：

always@(posedge clk or negedge reset)  //异步复位
    if(!reset) begin
	    out1 <= 0   ;
    else
        out1 <= in1 ;

   异步复位则不依赖于系统时钟，一旦信号发生变化，就会立即对寄存器进行复位操作。 异步复位信号一般会持续相对较长的时间，保证寄存器能复位完成。但是由于复位信号是异步的，我们不知道它会在什么时刻被释放。如果异步复位信号撤销时，不满足recovery time和removal time时，可能会造成亚稳态。
  为减少亚稳态的产生，采用傀儡寄存器寄存，进行异步复位同步释放

module sync_async_reset(clock,reset_n,rst_n);

    input clock, reset_n;
    output rst_n;
 
    reg rst_nr1, 
 
    always @(posedge clock or negedge reset_n) begin
        if(!reset_n) begin
			rst_nr1 <= 1'b0;
            rst_n <= 1'b0;		//异步复位
        end
        else begin
			rst_nr1 <= 1'b1;
			rst_n <= rst_nr1;		//同步释放
		end
    end
	
	//新的系统复位信号rst_n
    //信号rst_n作为新的系统复位信号，后续可以用来直接“异步复位”
	
endmodule

  上述描述的计数器通过 clear 信号清除计数值，然后下一周期开始加 1 计数；当计数器计到能够存储的最大数值时， 例如本例为 8 个 1，即 8’hff 就会自动回到 0，然后开始下一轮计数。
改进计数器实现0~k范围内计数，其中k不等于2^N:

   always@(posedge clk)
    if(clear)
        cnt <=  'h0;    //同步清 0，高电平有效
    else if(cnt==K)
        cnt <= 'h0;
    else
        cnt <= cnt+1'b1; //加法计数

  前面是累加计数，下面是一个既可以递增也能递减，且具备初始值装载和复位的计数器，代码如下所示：

module updown_count#(parameter N=8)(
   input clk,
   input clear,
   input load,
   input up_down,
   input [N-1:0] preset_D,
   output[N-1:0] cnt_Q
);
reg[N-1:0] cnt;
assign cnt_Q = cnt;

always@(posedge clk)
 if(clear)
   cnt <= 'h0;      //同步清 0，高电平有效
 else if(load)
   cnt <= preset_D; //同步预置
 else if(up_down)
   cnt <= cnt+1;    //加法计数
 else
   cnt <= cnt-1;    //减法计数

endmodule

二、计数器的用途

（1）基本的计数功能与分频
　　计数器的基本功能顾名思义就是计数了，用来计数，产生某个信号等等。利用这个功能，可以实现信号的分频，具体会在后面的分频电路中进行描述。
（2）看门狗
　　计数器其实就可以设计成看门狗。在初始状态时，看门狗电路首先装载一个大数；当状态机或者程序开始运行后，看门狗开始倒计数。如果状态机或程序运行正常，每隔一段时间应发出指令或信号让看门狗重新装载一个大的初始值，并再次开始倒计数。如果看门狗减到 0 就认为程序或状态机没有正常工作，就需要强制整个系统复位。
上面的第二处改进的计数器电路描述就是一个看门狗电路，只要加上 cnt==0 作为看门复位状态即可；而 load 信号则是状态机或软件给出的喂狗动作。
（3）特殊的有限状态机
　　当状态机要求没有那么严格的时候，这个时候就可以用计数器的计数值当做状态机的状态，计数增加或者减少就是改变状态。