時序邏輯電路：時鐘分頻

和單片機(jī)一樣，FPGA開發(fā)板上也都會配有晶振用來生成板載時鐘。前一篇我們提到了小腳丫的固定板載時鐘頻率為12MHz，這個頻率實際上就是作為我們的時間參考基準(zhǔn)。正如歌里唱的那樣：

嘀嗒嘀嗒嘀嗒嘀嗒

時針?biāo)煌Ｔ谵D(zhuǎn)動

因此，小腳丫只要在通電之后，它的內(nèi)部時鐘就會每隔83.8ns滴答一次。這個時間真的很快，連光速還沒來得及跑出小區(qū)大門就被掐斷了。那么問題來了：如果在某些應(yīng)用場合中，我們不需要這么快的嘀嗒該怎么辦？比如，我們想讓小腳丫上的LED燈以可觀察的頻率閃爍，如1Hz，也就是1秒閃一下。

相信大家和我的想法一樣，就一個字：等。既然一秒鐘可以嘀嗒一千兩百萬次，那我們每次點(diǎn)亮LED之前就先等你跳一千兩百萬次好了，畢竟也不耗油。換句話說，就是把內(nèi)部時鐘頻率放慢12,000,000倍。這個操作就叫做時鐘分頻，也就是我們今天要掌握的內(nèi)容。

先說偶數(shù)分頻，也就是說將內(nèi)部時鐘放慢的除數(shù)為偶數(shù)。在這里，我們只考慮占空比為50%的波形（高電平和低電平對半分）。圖1中，我們設(shè)定內(nèi)部時鐘為我們的輸入頻率，也就是12MHz，那么如果想獲得一個6MHz的輸出頻率，只需要等第二次上沿信號即可，因此分頻除數(shù)為2。

圖1

如果想得到更低的輸出頻率，比如1MHz，則除數(shù)調(diào)整12；如果1KHz，除數(shù)調(diào)成12000，依次類推。注意，這種方法只對除數(shù)為偶數(shù)的情況下才管用！以下是生成1Hz輸出的代碼，于是我們將除數(shù)調(diào)成了12,000,000。

moduleclkdivider(clock_in,clock_out);inputclock_in;outputregclock_out;reg[23:0]counter=24'd0;parameter DIVISOR = 24'd12000000;
always@(posedgeclock_in)begincounter<=?counter?+?24'd1;if(counter>=(DIVISOR-1))counter<=?24'clock_out<=?(counter2)?1'b1:1'b0;//條件賦值endendmodule

在代碼中我們注意到了這一行代碼：

reg[23:0] counter=24’0

這個實際上就是用于存儲小腳丫固定時鐘頻率的一個數(shù)據(jù)格式，至于為什么是24位寬直接參考圖2就可以。打開你們電腦里的計算器，調(diào)成碼農(nóng)模式即可。

圖2

再說奇數(shù)分頻。比如說我們想獲得一個4MHz的頻率，按道理說我們把分頻除數(shù)調(diào)成3即可。而實際上奇數(shù)分頻的故事還是稍微多一點(diǎn)。我們看一下圖3就明白了。

圖3

不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)除數(shù)為奇數(shù)時，此刻對應(yīng)的時間為內(nèi)部時鐘的下沿，如果僅靠上沿觸發(fā)的話，此時輸出是不會改變的。所以奇數(shù)分頻需要經(jīng)歷上沿觸發(fā)和下沿觸發(fā)才能完成。還好，在Verilog里，我們先不用研究邊沿觸發(fā)的構(gòu)造原理，只需要通過行為級描述即可直接完成指令：

always@(posedgeclk)//上沿觸發(fā)always @(negedge clk)    //下沿觸發(fā)

現(xiàn)在我們來看一個分頻倍數(shù)為3的例子。圖3中，不論輸出信號是高電平還是低電平，都只涵蓋了兩個邊沿信號，也就是說，不論是上沿還是下沿時鐘，我們只需要分別等待2次觸發(fā)后進(jìn)行賦值即可。

moduleclk_div3(clk,clk_out);inputclk;outputclk_out;reg[1:0]pos_count,neg_count;wire [1:0] r_nxt;
always@(posedgeclk)//處理上沿時鐘觸發(fā)部分if(pos_count==2)//等待輸入時鐘上沿觸發(fā)2次    pos_count<=0;  else    pos_count <= pos_count +1;
always@(negedgeclk)//處理下沿時鐘觸發(fā)部分if(neg_count==2) //等待輸入時鐘下沿觸發(fā)2次    neg_count<=0;  else    neg_count<=neg_count+1;
assignclk_out=((pos_count==2)|(neg_count==2));//每等待2次觸發(fā)后進(jìn)行賦值endmodule

了解了3倍分頻之后，如何實現(xiàn)通用的奇數(shù)分頻自然也就不在話下了，這一部分就交給愿意動手嘗試的朋友們?nèi)プ孕芯毩?xí)了。

最后，我們的任務(wù)是，讓小腳丫上的L1-L4這四個燈以2Hz的頻率閃爍，另外四個燈L5-L8分別以1Hz的頻率閃爍，看看能否實現(xiàn)呢？