Verilog手撕代码（6）分频器

分频概念

分频就是生成一个新时钟，该新时钟的频率是原有时钟频率的整数分之一倍，新周期是原有周期的整数倍。

再简单来说，让你手撕一个四分频电路，就是写代码生成一个周期是原来四倍的时钟，如果手撕一个三分频电路，就是写代码生成一个周期是原来三倍的时钟。

如图为四分频波形图，clk_out的频率是clk的1/4，但周期是clk的4倍。
分频主要分为偶数分频、奇数分频、小数分频。

偶数分频

二分频

二分频引入，在每个时钟上升沿来到时，翻转新时钟

always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_2 <= 0;elseclk_2 <= ~clk_2;
end

得到的结果如下：

任意偶数

代码：

module div
#(parameter num = 8
)
(input clk,input rst_n,output reg clk_out
);reg [2:0]cnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt <= 0;clk_out <= 0;endelse if(cnt == num/2 -1)begincnt <= 0;clk_out <= ~clk_out; end	elsecnt <= cnt + 1'b1;
endendmodule

Testbench

module div_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_out;div u0(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_out));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#15 rst_n = 1;#50000$stop;endendmodule

仿真结果：

每4各clk，clk_out翻转一次，即8个clk周期的为clk_out的一个周期。

在Testbench中使用defparam语句覆盖原始rtl中的num初始值，改为4分频。

defparam num = 4;

结果为：

占空比问题

上面写的任意偶数分频代码的占空比都是50%，实际上面试手撕代码不会让你50%占空比

方法：==进行计数，对于一个八分频，开始就把时钟设为高电平，我用cnt 计数到两个时钟上升沿后再把它拉低，计数到7后cnt 拉低 时钟拉高，这样就实现了两个周期高，六个周期低，占空比为2/8 即 25% 的八分频。 ==

奇分频

任意奇数分频代码：

module div_2
#(parameter N = 7
)
(input clk,input rst_n,output reg clk_out
);reg [2:0] cnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 3'd0;else cnt <= (cnt == (N-1))?3'd0:cnt + 1'd1;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_out <= 1'b0;else if((cnt == N-1)|(cnt == (N-1)/2))clk_out <= ~clk_out;elseclk_out <= clk_out;
endendmodule

Testbench：

`timescale 1ns/1ns
module div_2_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_out;div_2 inst(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_out));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#15rst_n = 1;#3000$stop;end
endmodule

仿真结果：

在cnt = 4 和cnt = 6的时候对clk_out翻转，可以看到每经过7个clk，生成一个clk_out完整周期。但是计算clk_out的占空比可得为3/7，并不是规整的50%占空比。

实现50%占空代码：

module div_2
#(parameter N = 7
)
(input clk,input rst_n,output wire clk_out
);reg [2:0] cnt_pos;
reg [2:0] cnt_neg;
reg clk_pos,clk_neg;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_pos <= 3'd0;else cnt_pos <= (cnt_pos == (N-1))?3'd0:cnt_pos + 1'd1;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_pos <= 1'b0;else if((cnt_pos == N-1)|(cnt_pos == (N-1)/2))clk_pos <= ~clk_pos;elseclk_pos <= clk_pos;
endalways@(negedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_neg <= 3'd0;else cnt_neg  <= (cnt_neg  == (N-1))?3'd0:cnt_neg  + 1'd1;
endalways@(negedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_neg <= 1'b0;else if((cnt_neg == N-1)|(cnt_neg == (N-1)/2))clk_neg <= ~clk_neg;elseclk_neg <= clk_neg;
endassign clk_out = clk_pos | clk_neg;endmodule

Testbench：

`timescale 1ns/1ns
module div_2_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_out;div_2 inst(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_out));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#15rst_n = 1;#3000$stop;end
endmodule

仿真结果：

非常规占空比的奇分频

非常规占空比的奇数分频器，比如 3/10占空比的五分频， 5/18占空比的九分频？

与上面实现50%任意奇数分频器的原理是类似的，但是采用与运算。用占空比为 2/5 上升沿采样的信号和 2/5占空比下降沿采样的信号相与。

所以相与后，占空比就为 2/5 - 1/10 = 3/10 ，示意图如下：

5/18占空比的九分频就是用上升沿采样的3/9占空比九分频 和下降沿采样的3/9占空比九分频相与，最后结果为3/9-1/18 = 5/18 占空比。具体修改只需要改cnt判断数值以及把clk_out 的赋值从clk_out1,clk_out2相或改成相与。

代码参考：verilog代码

分频时钟的使用

在其他模块利用分频时钟时，分频得到的时钟并未连接到FPGA内部的全局时钟树，因此使用分频时钟的模块与其他使用系统时钟clk的模块存在时钟到达时间的偏差，而在设计过程中，我们希望的使各个模块的时钟达到时间使相近的，减少时序问题。

在一些低速系统或模块中，使用分频时钟出现问题的概率较低，但在高速系统和模块中，使用分频时钟就会容易出现问题，导致各模块的时钟到达时间存在较大的偏差，为解决这个问题，分频时生成脉冲时钟。
以7分频为例：

module div_3
#(parameter N = 7
)
(input clk,input rst_n,output reg clk_flag
);reg [2:0] cnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 3'd0;else cnt <= (cnt == (N-1))?3'd0:cnt + 1'd1;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_flag <= 1'b0;else if(cnt == N-2)clk_flag <= 1'b1;elseclk_flag <= 1'b0;
endendmodule

Testbench与上面一样

`timescale 1ns/1ns
module div_3_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_flag;div_3 inst(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_flag(clk_flag));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#15rst_n = 1;#3000$stop;end
endmodule

仿真结果：

在Testbench中利用defparam对N进行修改，改为4分频

	defparam inst.N = 4;

由此，在利用分频后的脉冲信号clk_flag 进行判断和处理，例如：

module div_3
#(parameter N = 7
)
(input clk,input rst_n,output reg clk_out,output reg clk_flag
);reg [2:0] cnt;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 3'd0;else cnt <= (cnt == (N-1))?3'd0:cnt + 1'd1;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_out <= 1'b0;else if((cnt == N-1)|(cnt == (N-1)/2))clk_out <= ~clk_out;elseclk_out <= clk_out;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)clk_flag <= 1'b0;else if(cnt == N-2)clk_flag <= 1'b1;elseclk_flag <= 1'b0;
end
reg [2:0] a，b;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)a <= 3'b0;else if(clk_flag == 1)a <= a + 1'b1;
endalways@(posedge clk_out or negedge rst_n)beginif(!rst_n)b <= 3'b0;else b <= a + 1'b1;
endendmodule

其中a计数器是由clk_flag控制的，b计数器是由clk_out控制的，而本质上clk_flag是由系统时钟clk进行控制的，因此a由系统时钟clk控制，与其他采用系统时钟clk的模块都保持着相同的时钟关系，b由clk_out控制，与系统时钟clk存在一定的偏差，因此推荐使用脉冲信号的写法。

本质上来说，脉冲信号clk_flag是降频写法，无法对占空比进行设计，clk_out是分频写法，达到的效果是一样的，但在时序问题上，脉冲信号clk_flag写法更好！

小数分频

编码小数分频，就不能看微观了，要用宏观的眼界去看，比如实现一个 17/3 分频，表达成：17 除以 3 得商为 5 余2。
那么我们就可以通过5（商）分频和7（商+余数）来实现 17/3 分频。 确定5分频和7分频的次数，设：5分频的次数为a ， 7分频的次数为b，那么应该有：

 a+b=3（除数）5a+7b = 17（被除数）

得a=2，b=1，也就是说通过2次5分频和1次7分频可得到 17/3 分频。
宏观来看，总共是17个时钟周期，由三个分频器均分，那么平均每个分频器就是分到17/3了，这就是小数分频，这是一个宏观的平均概念。
代码：

module div_M_N(input clk,input rst_n,output reg clk_out
);
reg [4:0] cnt;
reg [2:0] cnt1;
reg [2:0] cnt2;always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 5'd0;else cnt <= (cnt == 5'd16)?5'd0:cnt + 1'b1;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt1 <= 3'd0;cnt2 <= 3'd0;clk_out <= 1'b0;endelse if(cnt < 5'd10)begin //cnt<5'd10中包含两个5分频。占空比为1/5if(cnt1 == 3'd4)begincnt1 <= 3'd0;clk_out <= 1'b1;endelse if(cnt1 == 3'd0)begincnt1 <= cnt1 + 1'b1;clk_out <= 1'b0;endelse begincnt1 <= cnt1 + 1'b1;end		endelse begin                   //5'd10=<cnt<=5'd17中包含一个7分频。占空比为1/5if(cnt2 == 3'd6)begincnt2 <= 3'd0;clk_out <= 1'b1;endelse if(cnt2 == 3'd0)begincnt2 <= cnt2 + 1'b1;clk_out <= 1'd0;endelse begincnt2 <= cnt2 + 1'b1;endend	
endendmodule

Testbench：

module div_M_N_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_out;div_M_N inst(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_out));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#20rst_n = 1;#5000$stop;		end
endmodule

仿真结果：

可以看出，两个五分频，一个七分频，每十七个周期循环一次。即每十七个周期有三个分频器，平摊下来就是 17/3 。
小数分频的缺点就是 占空比不为50%，要想实现50%占空比的小数分频，涉及很多算法，具体算法十分复杂。

可参考：任意小数分频（50%占空比）

8.7分频verilog代码：

module div_M_N_2(input clk,input rst_n,output clk_out
);parameter M_N = 8'd87;  //总周期
parameter c89 = 8'd24;	//8分频9分频切换点
parameter div_e = 5'd8;	//偶分频周期
parameter div_o = 5'd9;	//奇分频周期reg [7:0] cnt;
reg [3:0] cnt_8;
reg [3:0] cnt_9;
reg clk_out_r;always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 8'd0;else if(cnt == M_N - 1)cnt <= 8'd0;elsecnt <= cnt + 1'b1;
endreg div_flag;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)div_flag <= 1'b0;else if((cnt == (M_N -1)) | (cnt ==  (c89 - 1)))div_flag <= ~div_flag;else div_flag <= div_flag;
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_8 <= 3'd0;cnt_9 <= 4'd0;endelse if(div_flag == 0)begincnt_8 <= (cnt_8 == (div_e - 1))?0:cnt_8 + 1'b1;endelse if(div_flag == 1)begincnt_9 <= (cnt_9 == (div_o - 1))?0:cnt_9 + 1'b1;end
endalways@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)	clk_out_r <= 1'b0;else if( ((cnt_8 == 4 | cnt_8 == 0)&&(div_flag == 0)) | ( (cnt_9 == 0 | cnt_9 == 4)&&(div_flag == 1 )) )clk_out_r <= ~clk_out_r;
endassign clk_out = clk_out_r;endmodule	

Testbeench：

module div_M_N_tb();reg clk;reg rst_n;wire clk_out;div_M_N_2 inst(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_out));always #10 clk = ~clk;initial beginclk = 0;rst_n = 0;#20rst_n = 1;#5000$stop;		end
endmodule

仿真结果：