【《硬件架构的艺术》读书笔记】04 时钟分频器

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4.1 介绍

偶数时钟分频很好实现，使用一个计数器累加到一定值再清零，同时翻转电平就可以了。本章主要讲的是奇数分频和小数分频。

4.2 同步整数分频器

使用Moore状态机可以轻松的实现同步整数分频，需要几分频就有几种状态，但是如果是奇数分频，那么输出就不可能为50%占空比。

如图使用了一个七个状态的Moore状态机实现了7分频，其中4个状态输出为0，3个状态输出为1，显然占空比不为50%

4.3 具有50%占空比的奇数整数分频

1、以期望输出频率的一半产生两个正交相位时钟（90°相位差）。

2、将两个波形异或得到输出频率。

对于整奇数N分频：

1、创建一个计数到N-1的计数器。

2、使用两个T触发器，并且第一个触发器当计数到0使能，第二个触发器计数到（N+1）/2使能。

3、TFF1由上升沿触发，TFF2由下降沿触发，两个触发器的输出都是2N分频的时钟。

4、异或得到最终输出。

`timescale 1ns / 1ps


module div3(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output clk_out
    );

    reg [3:0]count;
    reg div1,div2;

    always @(posedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            count <= 'd0;
        else begin
            count <= (count<2)?(count + 1'b1):'d0;
        end
    end

    always @(posedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            div1 <= 1'b0;
        else if(count == 0)
            div1 <= ~div1;
    end

    always @(negedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            div2 <= 1'b0;
        else if(count == 2)
            div2 <= ~div2;
    end

    assign clk_out = div1 ^ div2;

endmodule

testbench

`timescale 1ns / 1ps


module tb_div3();
reg clk_in;
reg rst_n;
wire clk_out;

initial begin
    clk_in = 0;
    rst_n = 0;
    #100
    rst_n = 1;
end

always #10 clk_in = ~clk_in;

 div3 u0(
    .clk_in(clk_in),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_out(clk_out)
    );

endmodule

仿真波形

4.4 非整数分频（非50%占空比）

4.4.1 具有非50%占空比的1.5倍分频

`timescale 1ns / 1ps
module div1_5(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output reg clk_out
);
wire clk_div3;
wire clk_mux;
assign clk_mux = clk_div3 ? clk_in : ~clk_in;

always @(posedge clk_mux or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n)
        clk_out <= 1'b0;
    else
        clk_out <= ~clk_out;
end

div3 u0(
    .clk_in(clk_in),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_out(clk_div3)
    );

endmodule

仿真波形

该电路综合可能出现问题，因为多路器的两个输入端延时并不相等，可能输出产生毛刺。参考时钟频率越高，出错的可能性也越大。

4.4.2 4.5倍分频计数器的实现（非50%占空比）

本方法可以使输出时钟不含毛刺。概括的讲，这种方法是在9个原始时钟内等间隔产生两个脉冲。

1、使用复位值为0_0000_0001的9位移位寄存器，在每个时钟上升沿循环左移一位。

2、产生第一个脉冲，下降沿移动第一位，并将移动后的结果和第一位、第二位进行或操作。

3、产生第二个脉冲，第五位和第六位半周期时移动，并与第六位进行或操作。

注意这里每一个脉冲都是三个信号相或得到的，这样做的目的是防止两个信号同时变化出现竞争冒险现象。

`timescale 1ns / 1ps
module div4_5(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output clk_out
);
reg [8:0]count;
reg count1_shift,count5_shift,count6_shift;

always @(posedge clk_in or negedge rst_n ) begin
    if(~rst_n)
        count <= 'd1;
    else
        count <= {count[7:0],count[8]};    
end

always @(negedge clk_in or negedge rst_n ) begin
    if(~rst_n)begin
        count1_shift <= 1'b0;
        count5_shift <= 1'b0;
        count6_shift <= 1'b0;
    end
    else begin
        count1_shift <= count[1];
        count5_shift <= count[5];
        count6_shift <= count[6];
    end
end

assign clk_out = count[1]|count1_shift|count[2]|count5_shift|count[6]|count6_shift;

endmodule

仿真波形