用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)任意次ASIC分頻器

唐衛(wèi)斌

（商洛學(xué)院 物理與電子信息工程系，陜西商洛 726000）

Verilog語(yǔ)言是應(yīng)用最廣泛的硬件描述語(yǔ)言(HDL)之一。它是硬件（數(shù)字邏輯電路）設(shè)計(jì)人員和EDA工具之間的界面；是一種用形式化方法來(lái)描述數(shù)字電路和設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語(yǔ)言。設(shè)計(jì)者可以利用這種語(yǔ)言來(lái)描述自己的設(shè)計(jì)思想，然后利用EDA工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證和時(shí)序分析，再自動(dòng)綜合到門級(jí)電路，最后用ASIC(專用集成電路)或FPGA實(shí)現(xiàn)其功能[1-2]。

分頻器是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本單元之一。它是將較高頻率通過分頻得到較低頻率的一種單元電路。盡管目前在大部分設(shè)計(jì)中還廣泛使用集成鎖相環(huán) (如altera的PLL，Xilinx的DLL)來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘的分頻、倍頻以及相移設(shè)計(jì)[3]，但是，對(duì)于時(shí)鐘要求不太嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過自主設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)鐘分頻的實(shí)現(xiàn)方法仍是不錯(cuò)的選擇。首先這種方法可以節(jié)省鎖相環(huán)資源，再者，這種方式只消耗不多的邏輯單元就可以達(dá)到對(duì)時(shí)鐘操作的目的，具有成本低、可編程等優(yōu)點(diǎn)[4]。而使用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行分頻器設(shè)計(jì)在當(dāng)前設(shè)計(jì)實(shí)踐中并不多見，文獻(xiàn)[5]中夏宇聞教授對(duì)此稍有提及，但未給出具體代碼。本文在介紹計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給出基于計(jì)數(shù)器的分頻器設(shè)計(jì)模版，包括偶數(shù)次分頻和奇數(shù)次分頻，這些模版在當(dāng)前的設(shè)計(jì)實(shí)踐中尚且空缺，因而可以給其他數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用，或者作為庫(kù)文件使用，從而大大縮短電路設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是實(shí)現(xiàn)分頻電路的基礎(chǔ)，計(jì)數(shù)器有普通計(jì)數(shù)器和約翰遜計(jì)數(shù)器兩種。這兩種計(jì)數(shù)器均可應(yīng)用在分頻電路中[6]。

1.1 加法（或減法）計(jì)數(shù)器

使用Verilog實(shí)現(xiàn)的模十加法計(jì)數(shù)器：

module cnt10(clk,rst,cnt);/*定義端口變量 */

input clk,rst;

output[3:0]cnt;

reg[3:0]cnt;

always@ (posedge clk,posedge rst)if(rst)cnt＜=0; /*復(fù)位信號(hào)*/

else

begin if(cnt==9)cnt＜=0; /*當(dāng)計(jì)數(shù)到 9時(shí)強(qiáng)制歸零*/

else cnt＜=cnt+1; /* 計(jì)數(shù) */

end

endmodule

使用Modelsim仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 普通計(jì)數(shù)器仿真波形

從波形上可以看到輸出端口cnt反復(fù)循環(huán)輸出0～9這10個(gè)數(shù)字。普通計(jì)數(shù)器的RTL(寄存器傳輸級(jí))結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[7]?？梢娫撚?jì)數(shù)器由四位加法單元和四位觸發(fā)器構(gòu)成。有兩個(gè)輸入端口：時(shí)鐘輸入clk和復(fù)位信號(hào)輸入rst。

圖2 普通計(jì)數(shù)器RTL結(jié)構(gòu)

1.2 約翰遜計(jì)數(shù)器

約翰遜計(jì)數(shù)器是一種移位計(jì)數(shù)器，采用的是把輸出的最高位取非，然后反饋送到最低位觸發(fā)器的輸入端。也稱為扭環(huán)形計(jì)數(shù)器。它在每個(gè)時(shí)鐘下只有一個(gè)輸出發(fā)生變化[8]。

約翰遜計(jì)數(shù)器沒有有效利用寄存器的所有狀態(tài)，假設(shè)最初值或復(fù)位狀態(tài)為0000，則依次為0000、0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000、0000如此循環(huán)。

再者，如果由于干擾噪聲引入一個(gè)無(wú)效狀態(tài)，如0010，則無(wú)法恢復(fù)到有效循環(huán)中去，需要加入錯(cuò)誤恢復(fù)處理。

2 分頻器

分頻器有整數(shù)次分頻器和小數(shù)次分頻器之分。對(duì)于整數(shù)次分頻器又有奇數(shù)次和偶數(shù)次分頻器。這里只討論整數(shù)分頻。

2.1 偶數(shù)次分頻

偶數(shù)次分頻通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。如進(jìn)行N次偶數(shù)分頻，那么可以通過由待分頻的時(shí)鐘觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到N/2-1時(shí)，輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使得下一個(gè)時(shí)鐘從零開始計(jì)數(shù)。以此循環(huán)下去。這種方法可以實(shí)現(xiàn)任意的偶數(shù)分頻[9]?；诖怂悸返拇a見注釋①。

從如圖3所示仿真波形上可以看到，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)3次，輸出時(shí)鐘反相一次，從而使輸出時(shí)鐘為輸入時(shí)鐘的1/6，完成了6分頻，并且占空比是50%。

圖3 偶數(shù)次分頻仿真波形（6分頻）

2.2 奇數(shù)次分頻

奇數(shù)次分頻歸類為一般的方法為：對(duì)于實(shí)現(xiàn)占空比為50%的N次奇數(shù)分頻，首先進(jìn)行上升沿觸發(fā)進(jìn)行模N計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)從零開始，到(N－1)/2進(jìn)行輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過(N+1)/2再次進(jìn)行翻轉(zhuǎn)得到一個(gè)占空比非50%奇數(shù)n分頻時(shí)鐘。再者同時(shí)進(jìn)行下降沿觸發(fā)的模N計(jì)數(shù)，類似翻轉(zhuǎn)生成占空比非50%的奇數(shù)n分頻時(shí)鐘。兩個(gè)占空比非50%的n分頻時(shí)鐘相或運(yùn)算，得到占空比為50%的奇數(shù)n分頻時(shí)鐘[10]?；诖怂悸返拇a見注釋②。

從如圖4仿真波形上可以清楚地看到count1和count2兩個(gè)計(jì)數(shù)器從1到4的計(jì)數(shù)過程，以及分別對(duì)應(yīng)clk時(shí)鐘和clk_re時(shí)鐘計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的clkA和clkB兩個(gè)中間時(shí)鐘，對(duì)這兩個(gè)中間時(shí)鐘相或的到最終所要的5分頻輸出時(shí)鐘clk_odd，并且占空比是50%。

圖4 奇數(shù)次分頻仿真波形（5分頻）

對(duì)該 5次分頻電路進(jìn)行軟件綜合 (synopsys_DC)，獲得RTL結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 分頻器綜合結(jié)果—RTL結(jié)構(gòu)圖

可以看到該邏輯電路是由若干與非門、或非門、反相器、或門以及D觸發(fā)器構(gòu)成，是典型的數(shù)字電路。該電路再經(jīng)過后續(xù)軟件進(jìn)行布局布線、后仿真、時(shí)序分析、生成版圖，就可以獲得ASIC單元電路，應(yīng)用到ASIC設(shè)計(jì)制造之中。

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)給出了偶數(shù)次分頻和奇數(shù)次分頻的通用Verilog代碼，并給出了相應(yīng)的解釋，通過了ModelSim的仿真。從仿真波形上看，兩段代碼均正確無(wú)誤的完成了預(yù)期的功能?？梢妰啥未a可以作為設(shè)計(jì)模版提供給其他數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用，或者作為庫(kù)文件使用。

注釋：

①偶數(shù)次分頻器代碼

module even_division(clk,rst,count,clk_odd);/*定義模塊 */

input clk,rst; /*輸入端口*/

output clk_even;//輸出端口

output[3:0]count;//輸出端口

reg clk_even;//寄存器變量

reg[3:0]count;//寄存器變量

parameter N=6;//定義參數(shù) 6分頻

always@(posedge clk)

if(!rst) //復(fù)位所有輸出寄存器

begin count＜=1'b0;

clk_even＜=1'b0;

end

else if(count＜ N/2-1)begin //0～N/2-1計(jì)數(shù)，對(duì)本例為0～2計(jì)數(shù)

count＜=count+1'b1;//計(jì)數(shù)器加1

end

else begin

count ＜=1'b0;//計(jì)數(shù)器賦零

clk_even＜=～clk_even;//輸出時(shí)鐘反相end

endmodule

②奇數(shù)次分頻器代碼

module odd_division(clk,rst,clk_odd);

input clk,rst;//定義輸入時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)

output clk_odd;//定義輸出時(shí)鐘

reg[3:0]count1,count2;//定義兩個(gè)計(jì)數(shù)器

reg clkA,clkB;//定義兩個(gè)中間時(shí)鐘

wire clk_odd,clk_re;//定義輸出時(shí)鐘和反相輸入時(shí)鐘為連線型變量

parameter N=5;//定義參數(shù)為5，即5分頻電路

assign clk_re=～clk;//將輸入時(shí)鐘反相，賦值給clk_re

assign clk_odd=clkA|clkB;//給出輸出時(shí)鐘的表達(dá)式clkA和clkB相或

always@(posedge clk)

if(!rst)

begin count1＜=1'b0;clkA ＜=1'b0;//復(fù)位時(shí)鐘clkA和計(jì)數(shù)器count1

end

else if(count1＜(N-1))//開始 0～N-1 計(jì)數(shù)

begin count1＜=count1+1'b1;

if(count1==(N-1)/2)//如果計(jì)數(shù)器count1=(N-1)/2，時(shí)鐘clkA反相

begin clkA＜=～clkA; end

end

else begin clkA＜=～clkA;count1＜=1'b0; /*否則時(shí)鐘clkA反相，計(jì)數(shù)器count1歸零*/

end

always@(posedge clk_re)//反相時(shí)鐘工作

if(!rst)

begin count2＜=1'b0;clkB＜=1'b0;//復(fù)位時(shí)鐘clkB和計(jì)數(shù)器count2

end

else if(count2＜(N-1))//開始 0～N-1 計(jì)數(shù)

begin count2＜=count2+1'b1;

if(count2==(N-1)/2)//如果計(jì)數(shù)器count2=(N-1)/2，時(shí)鐘clkB反相

begin clkB ＜= ～clkB; end

end

else begin clkB＜=～clkB;count2＜=1'b0;

//否則時(shí)鐘clkB反相，計(jì)數(shù)器count2歸零

end

endmodule

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