时序逻辑电路之时钟分频设计

和单片机一样，FPGA开发板上也都会配有晶振用来生成板载时钟。前一篇我们提到了小脚丫的固定板载时钟频率为12MHz，这个频率实际上就是作为我们的时间参考基准。正如歌里唱的那样：

嘀嗒嘀嗒嘀嗒嘀嗒

时针它不停在转动

因此，小脚丫只要在通电之后，它的内部时钟就会每隔83.8ns滴答一次。这个时间真的很快，连光速还没来得及跑出小区大门就被掐断了。那么问题来了：如果在某些应用场合中，我们不需要这么快的嘀嗒该怎么办？比如，我们想让小脚丫上的LED灯以可观察的频率闪烁，如1Hz，也就是1秒闪一下。

相信大家和我的想法一样，就一个字：等。既然一秒钟可以嘀嗒一千两百万次，那我们每次点亮LED之前就先等你跳一千两百万次好了，毕竟也不耗油。换句话说，就是把内部时钟频率放慢12,000,000倍。这个操作就叫做时钟分频，也就是我们今天要掌握的内容。

先说偶数分频，也就是说将内部时钟放慢的除数为偶数。在这里，我们只考虑占空比为50%的波形（高电平和低电平对半分）。图1中，我们设定内部时钟为我们的输入频率，也就是12MHz，那么如果想获得一个6MHz的输出频率，只需要等第二次上沿信号即可，因此分频除数为2。

图1

如果想得到更低的输出频率，比如1MHz，则除数调整12；如果1KHz，除数调成12000，依次类推。 注意，这种方法只对除数为偶数的情况下才管用！ 以下是生成1Hz输出的代码，于是我们将除数调成了12,000,000。

module clkdivider(clock_in,clock_out);
input clock_in;
output reg clock_out;
reg[23:0] counter=24'd0;
parameter DIVISOR = 24'd12000000;


always @(posedge clock_in)
   begin
      counter <= counter + 24'd1;
         if(counter >= (DIVISOR-1))
            counter <= 24'
            clock_out <= (counter< DIVISOR/2)?1'b1:1'b0;  //条件赋值
   end
endmodule

在代码中我们注意到了这一行代码：

reg[23:0] counter=24’0

这个实际上就是用于存储小脚丫固定时钟频率的一个数据格式，至于为什么是24位宽直接参考图2就可以。打开你们电脑里的计算器，调成码农模式即可。

图2

再说奇数分频。比如说我们想获得一个4MHz的频率，按道理说我们把分频除数调成3即可。而实际上奇数分频的故事还是稍微多一点。我们看一下图3就明白了。

图3

不难发现，当除数为奇数时，此刻对应的时间为内部时钟的下沿，如果仅靠上沿触发的话，此时输出是不会改变的。所以奇数分频需要经历上沿触发和下沿触发才能完成。还好，在Verilog里，我们先不用研究边沿触发的构造原理，只需要通过行为级描述即可直接完成指令：

always @(posedge clk)    //上沿触发
always @(negedge clk)    //下沿触发

现在我们来看一个分频倍数为3的例子。图3中，不论输出信号是高电平还是低电平，都只涵盖了两个边沿信号，也就是说，不论是上沿还是下沿时钟，我们只需要分别等待2次触发后进行赋值即可。

module clk_div3(clk, clk_out);
input clk;
output clk_out;
reg [1:0] pos_count, neg_count;
wire [1:0] r_nxt;


always @(posedge clk)     //处理上沿时钟触发部分
  if (pos_count ==2)      //等待输入时钟上沿触发2次
    pos_count <= 0;
  else
    pos_count <= pos_count +1;


always @(negedge clk)      //处理下沿时钟触发部分
  if (neg_count ==2)       //等待输入时钟下沿触发2次
    neg_count <= 0;
  else
    neg_count <= neg_count +1;


assign clk_out = ((pos_count == 2) | (neg_count == 2));   //每等待2次触发后进行赋值
endmodule

了解了3倍分频之后，如何实现通用的奇数分频自然也就不在话下了，这一部分就交给愿意动手尝试的朋友们去自行练习了。

最后，我们的任务是，让小脚丫上的L1-L4这四个灯以2Hz的频率闪烁，另外四个灯L5-L8分别以1Hz的频率闪烁，看看能否实现呢？