原创 浅谈FPGA学习之奇葩分频体验

前几天在一家做逻辑设计的公司里做了一道笔试题，有些心塞。用Verilog HDL描述三分频的实现。说实话，一开始我是拒绝的。我之前做过分频实验，几百毫秒的LED闪烁，控制蜂鸣器发出不同音频段的声音，都是分频实验的例子。现在想想，基本都是偶数分频。

一开始我是6分频的基础上做了2倍频，结果描述内容过于繁琐，以致写着写着就放弃挣揣，没经历过得东西是编不出来的。回来在网上找到了许多解决奇、偶数的分频实现。说实话，理论知识还是比较多的，就是代码实现有些欲盖迷彰，我抄写下来验证几乎都是错的。好在理论知识分析透彻，而后我自己尝试编写了一下，写下作为分享。

        偶数分频，例如二分频，简单讲就是一个时钟周期的高电平和一个时钟周期的低电平。设reg  cnt，默认一位，每一个时钟上升沿自加1，则cnt的电平变化就可以作为二分频输出。由此，设reg [3:0] cnt，则cnt[1],cnt[2],cnt[3]对应4/8/16分频。这些操作，我们常常在led延时处理上用到。

语言描述如下：

module test2_1(clk,rst_n,clk_out2,clk_out4,clk_out8);

input clk;

input rst_n;

output clk_out2;

output clk_out4;

output clk_out8;

reg [2:0]cnt;

always@(posedge clk or negedge rst_n)

if(!rst_n)

cnt <= 3'd0;

else

cnt <= cnt +1'b1;

assign clk_out2 = cnt[0];

assign clk_out4 = cnt[1];

assign clk_out8 = cnt[2];

endmodule

       另类偶数分频如6/10/12分频，可在前3/5/6个整数周期处理输出高/低电平，后3/5/6个整数周期取反，操作相对简单，可实现输出为占空比为1:1的分频信号。占空比不等的情况就更简单。

关键语言描述如下： （N=6）

if(cnt < N/2-1)begin

cnt <= cnt + 1'b1;

end

else begin

cnt <= 3'd0;

clk_out <= ~clk_out;

End

在设计中，我处理为cnt < N/2,或cnt小于等于 N/2-1，结果实现均为8分频。我开始分析cnt < 3,那cnt就只有取0,1，2为一种状态的电位，记满到3时，电位取反，cnt清零，重复执行得到效果。而事实上cnt < N/2-1才正确。我寻思着这样不是取了0、1两次数吗。后来在奇数分频遇到类似问题。

奇数分频占空比为1:1的实现比较复杂，以5分频为例，我采用两个计数器，一个计数器在时钟上升沿触发计数，另一个计数器在时钟下降沿触发计数（或clk_n = ~clk）。各自控制产生一个5分频信号，调节占空比为3：2（容易）。第一个5分频比第二个5分频快半个周期，两个信号取或，完美将占空比分配为1:1，通俗点说，就是3-0.5 = 2+0.5。

此时，我也遇到了cnt < N-1和cnt2 == (N-1)/2的问题，尤其是cnt2 == (N-1)/2，表面上让我误以为是占空比为2:3，但事实上是信号占空比为3:2。后来在仿真中我多添加了cnt的检测，效果就明显看出来了。而究其根源是always中clk上升沿采样与赋值改变之间的先后关系，而这在后仿真中逻辑延时能体现出来。语言描述较长，在附录中呈现。

因为上升沿和赋值几乎一条线，我没有混淆是先采集还是先赋值，而是会纠结于多算一个周期或少算一个周期。我还发现自己的逻辑设计不熟练导致与理想效果还是有差距的。调试时，花在逻辑优化的时间较长，另外在后仿真中cnt始终为Z态，不便于我观察，这是我的疑惑，也是接下来要解决的吧。

备注：我会在智慧科技（优先）、EDN、电子产品世界更新内容，信息不涉及商业用途。