verilog时钟分频设计

1.偶分频模块设计

偶分频意思是时钟模块设计最为简单。首先得到分频系数M和计数器值N。

M = 时钟输入频率 / 时钟输出频率

N = M / 2

如输入时钟为50M，输出时钟为25M，则M=2，N=1。偶分频则意味着M为偶数。

以M=4，N=2为例，我们希望得到的输出时钟时序如下：

因此只需要将counter以clk_in为时钟驱动计数，当counter = (N-1)时，clk_out翻转即可。

verilog代码如下，其中WIDTH为(N的位宽-1)：

module time_adv_even #(
parameter N = 2,
	WIDTH = 7
)
(
    input clk,
    input rst,
    output reg clk_out
    );

reg [WIDTH:0]counter;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		counter <= 0;
	end
	else if (counter == N-1) begin
		counter <= 0;
	end
	else begin
		counter <= counter + 1;
	end
end

always @(posedge clk or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		clk_out <= 0;
	end
	else if (counter == N-1) begin
		clk_out <= !clk_out;
	end
end

endmodule

testbench测试8分频即N=4，ISE仿真结果如下：

2.奇分频模块设计

奇分频需要通过两个时钟共同得到。首先得到分频系数M和计数器值N。

M = 时钟输入频率 / 时钟输出频率

N = (M-1) / 2

如输入时钟为50M，输出时钟为10M，则M=5，N=2。奇分频则意味着M为奇数。

以M=5，N=2为例，我们希望得到的输出时钟时序如下：

其中clk_out为最终输出时钟，clk_out1和clk_out2为辅助时钟生成。

计数器counter由0技术至(M-1)。

clk_out1在在clk_in的上升延跳变，条件是counter==(N-1)或(M-1)。

clk_out2在在clk_in的下降延跳变，条件是counter==(N-1)或(M-1)。

之后clk_out = clk_out1 & clk_out2即可得到M分频的时钟。

verilog代码如下，其中WIDTH为(N的位宽-1)：

module time_adv_odd #(
parameter N = 2,
	WIDTH = 7
	 )(
    input clk,
    input rst,
    output clk_out
    );

reg [WIDTH:0]counter;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		counter <= 0;
	end
	else if (counter == (N << 1)) begin
		counter <= 0;
	end
	else begin
		counter <= counter + 1;
	end
end

reg clk_out1;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		clk_out1 <= 0;
	end
	else if (counter == N-1) begin
		clk_out1 <= !clk_out1;
	end
	else if (counter == (N << 1)) begin
		clk_out1 <= !clk_out1;
	end
end

reg clk_out2;
always @(negedge clk or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		clk_out2 <= 0;
	end
	else if (counter == N-1) begin
		clk_out2 <= !clk_out2;
	end
	else if (counter == (N << 1)) begin
		clk_out2 <= !clk_out2;
	end
end

assign clk_out = clk_out1 & clk_out2;
endmodule

testbench测试9分频即N=4，ISE仿真结果如下：

3.半分频模块设计

半分频即2.5分频等，设计最为复杂。首先得到分频系数M：

M = 时钟输入频率 / 时钟输出频率

如输入为50M，输入为20M则分频系数为2.5。此次设计未能完成占空比为50%的半分频。

以M=2.5为例，我们希望得到的输出时钟时序如下：

可以看出输出时钟的两个上升沿之间为2.5个输入时钟周期。

设计的关键在于信号维持半个周期的处理，因此引入了辅助信号clk_cnt，clk_vld。

clk_vld信号受到clk_out的驱动，检测到clk_out的上升沿时，信号翻转。

clk_cnt信号受到clk_in驱动，受clk_vld控制，当clk_vld==0时，clk_cnt = clk_in;当clk_vld==1时，clk_cnt = !clk_in。

counter信号受clk_cnt驱动，计数(M-0.5)时归零。

clk_out信号受clk_cnt驱动，当counter == (M-1.5)或counter == (M-0.5)时翻转。（此处在仿真时做了改变，见下方）

M=2.5时，时序分析如下：

第一步：reset之后，clk_vld==0，clk_cnt = clk_in，counter由0开始计数；

第二步：counter == 1时，clk_out在clk_cnt的上升沿处跳变为1，引起clk_vld->1，进而clk_cnt = !clk_in，这意味着clk_cnt立即由1归为0；

第三步：半个周期后，clk_cnt 在此迎来上升沿，此时counter == 2，clk_out在clk_cnt的上升沿处跳变为0，counter也归0；（实现了信号维持半个周期）

第四步：继续正常计数，counter == 1时，clk_out在clk_cnt的上升沿处跳变为1，引起clk_vld->0，进而clk_cnt = clk_in，这意味着clk_cnt立即由1归为0；

第五步：重复至第一步。

然而在有一次的电路仿真中，可能受到仿真工具时钟采样影响，调整为

当counter == (M-0.5)或counter == 0时翻转

实现了正确的时钟分频。因此该值可能需要根据工具和开发板调整，或者说这样的设计是不可靠的，当然了如果需要半分频时候最好还是通过pll实现吧。

理论上是当counter == (M-0.5)或counter == (M-1.5)时翻转没错，给出的代码和波形也是这样的。

verilog代码如下，参数M实际为分频系数-0.5（即3.5->3），WIDTH为(M的位宽-1)：

module time_adv_half #(
	parameter M = 2,
		WIDTH = 7
)(
    input clk,
    input rst,
    output reg clk_out
    );

wire clk_cnt;
assign clk_cnt = (clk_vld) ? !clk : clk;

reg [WIDTH : 0]counter;
always @(posedge clk_cnt or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		counter <= 0;
	end
	else if (counter == M) begin
		counter <= 0;
	end
	else begin
		counter <= counter + 1;
	end
end

reg clk_vld;
always @(posedge clk_out or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		clk_vld <= 0;
	end
	else begin
		clk_vld <= !clk_vld;
	end
end

always @(posedge clk_cnt or posedge rst) begin
	if (rst) begin
		// reset
		clk_out <= 0;
	end
	else if (counter == M-1) begin
		clk_out <= !clk_out;
	end
	else if (counter == M) begin
		clk_out <= !clk_out;
	end
end

endmodule

M=3时候的仿真波形如下：

可以看出clk_out两个上升沿之间为3.5个输入时钟周期。

附：testbench

 `timescale 1 ns / 1 ps
module TEST_gate;
	reg clk, rst;
	wire clk_out_even, clk_out_odd, clk_out_half;
	
	initial begin  
		clk = 1'b0;  
		forever #10 clk = ~clk;  
	end
	
	initial begin  
		rst = 1'b0;  
		#2 rst = 1'b1; 
		#9 rst = 1'b0; 
	end

    time_adv_even #(
	   .N(4)
		,.WIDTH(5)
	   )u0
		(
    	.clk 		(clk)
    	,.rst 		(rst)
    	,.clk_out 	(clk_out_even)
    	);
		
		time_adv_odd #(
	   .N(4)
		,.WIDTH(5)
	   )u1
		(
    	.clk 		(clk)
    	,.rst 		(rst)
    	,.clk_out 	(clk_out_odd)
    	);
		
		time_adv_half #(
	   .M(3)
		,.WIDTH(5)
	   )u2
		(
    	.clk 		(clk)
    	,.rst 		(rst)
    	,.clk_out 	(clk_out_half)
    	);
endmodule

波形