實驗17：分頻器

• （1）熟悉和掌握FPGA開發流程和Lattice Diamond軟件使用方法；
• （2）通過實驗理解和掌握分頻器原理；
• （3）學習用Verilog HDL行為級描述時序邏輯電路。

設計一個任意整數分頻器。

時鐘信號的處理是FPGA的特色之一，因此分頻器也是FPGA設計中使用頻率非常高的基本設計之一。一般在FPGA中都有集成的鎖相環可以實現各種時鐘的分頻和倍頻設計，但是通過語言設計進行時鐘分頻是最基本的訓練，在對時鐘要求不高的設計時也能節省鎖相環資源。在本實驗中我們將實現任意整數的分頻器，分頻的時鐘保持50%占空比。 

1，偶數分頻：偶數倍分頻相對簡單，比較容易理解。通過計數器計數是完全可以實現的。如進行N倍偶數分頻，那么通過時鐘觸發計數器計數，當計數器從0計數到N/2-1時，輸出時鐘進行翻轉，以此循環下去。

2，奇數分頻： 如果要實現占空比為50%的奇數倍分頻，不能同偶數分頻一樣計數器記到一半的時候輸出時鐘翻轉，那樣得不到占空比50%的時鐘。以待分頻時鐘CLK為例，如果以偶數分頻的方法來做奇數分頻，在CLK上升沿觸發，將得到不是50%占空比的一個時鐘信號（正周期比負周期多一個時鐘或者少一個時鐘）；但是如果在CLK下降沿也觸發，又得到另外一個不是50%占空比的時鐘信號，這兩個時鐘相位正好相差半個CLK時鐘周期通過這兩個時鐘信號進行邏輯運算我們可以巧妙的得到50%占空比的時鐘。

總結如下：對于實現占空比為50%的N倍奇數分頻，首先進行上升沿觸發進行模N計數，計數選定到某一個值進行輸出時鐘翻轉，然后經過（N-1）/2再次進行翻轉得到一個占空比非50%奇數n分頻時鐘。再者同時進行下降沿觸發的模N計數，到和上升沿觸發輸出時鐘翻轉選定值相同值時，進行輸出時鐘時鐘翻轉，同樣經過（N-1）/2時，輸出時鐘再次翻轉生成占空比非50%的奇數n分頻時鐘。兩個占空比非50%的n分頻時鐘進行邏輯運算（正周期多的相與，負周期多的相或），得到占空比為50%的奇數n分頻時鐘。

用行為級描述任意整數分頻器
程序清單divide.v

 module divide #
 (								//parameter是verilog里參數定義
 parameter	WIDTH	=	24,		//計數器的位數，計數的最大值為 2**(WIDTH-1)
 parameter	N		=	12_000_000		//分頻系數，請確保 N<2**(WIDTH-1)，否則計數會溢出
 )
 (
 input		clk,		//clk連接到FPGA的C1腳，頻率為12MH
 zinput		rst_n,		//復位信號，低有效，
 output		clkout		//輸出信號，可以連接到LED觀察分頻的時鐘
 ); 
 reg	[WIDTH-1:0]	cnt_p,cnt_n;	//cnt_p為上升沿觸發時的計數器，cnt_n為下降沿觸發時的計數器
 reg	clk_p,clk_n;	//clk_p為上升沿觸發時分頻時鐘，clk_n為下降沿觸發時分頻時鐘 
 /**********上升沿觸發部分**************************************/
 //上升沿觸發時計數器的控制
 always @(posedge clk or negedge rst_n)	//posedge和negedge是verilog表示信號上升沿和下降沿
	begin		//當clk上升沿來臨或者rst_n變低的時候執行一次always里的語句
		if(!rst_n)
			cnt_p <= 1'b0;
		else if(cnt_p == (N-1))
			cnt_p <= 1'b0;
		else 
			cnt_p <= cnt_p + 1'b1;		//計數器一直計數，當計數到N-1的時候清零，這是一個模N的計數器
	end 
//上升沿觸發的分頻時鐘輸出,如果N為奇數得到的時鐘占空比不是50%；如果N為偶數得到的時鐘占空比為50%
always @(posedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			clk_p <= 1'b0;
		else if(cnt_p < (N>>1))			//N>>1表示右移一位，相當于除以2取商
			clk_p <= 1'b0;
		else 
			clk_p <= 1'b1;		//得到的分頻時鐘正周期比負周期多一個clk時鐘
	end
	/*****************下降沿觸發部分**************************************/
	//下降沿觸發時計數器的控制        	
	always @(negedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			cnt_n <= 1'b0;
		else if(cnt_n == (N-1))
			cnt_n <= 1'b0;
		else 
			cnt_n <= cnt_n + 1'b1;
	end 
	//下降沿觸發的分頻時鐘輸出，和clk_p相差半個clk時鐘
always @(negedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			clk_n <= 1'b0;
		else if(cnt_n < (N>>1))  
			clk_n <= 1'b0;
		else 
			clk_n <= 1'b1;	//得到的分頻時鐘正周期比負周期多一個clk時鐘
	end
	/*************************************************************************/
	wire	clk1 = clk;				//當N=1時，直接輸出clk
	wire	clk2 = clk_p;			//當N為偶數也就是N的最低位為0，N[0]=0，輸出clk_p
	wire	clk3 = clk_p & clk_n;	//當N為奇數也就是N最低位為1，N[0]=1，輸出clk_p&clk_n。正周期多所以是相與 
	assign clkout = (N==1)? clk1:(N[0]? clk3:clk2);	//條件判斷表達式
	endmodule

1. 打開Lattice Diamond，建立工程。
2. 新建Verilog HDL設計文件，并鍵入設計代碼。
3. 根據邏輯綜合并分配管腳，在本實驗中引腳分配如下：clk—C1,rst_n—L14,clkout—N13
4. 如果仿真無誤，構建并輸出編程文件，燒寫至FPGA的Flash之中。
5. 觀察輸出結果。