Verilog设计分频器（面试必看）
分频器是指使输出信号频率为输入信号频率整数分之一的电子电路。在许多电子设备中如电子钟、频率合成器等，需要各种不同频率的信号协同工作，常用的方法是以稳定度高的晶体振荡器为主振源，通过变换得到所需要的各种频率成分，分频器是一种主要变换手段。
早期的分频器多为正弦分频器，随着数字集成电路的发展，脉冲分频器（又称数字分频器）逐渐取代了正弦分频器。
下面以Verilog HDL 语言为基础介绍占空比为50%的分频器。
1、偶分频
偶分频电路指的是分频系数为 2、4、6、8 … 等偶数整数的分频电路，我们可以直接进行分频。
例如下面 divider.v 中，对输入时钟进行6分频，即假设clk 为 50MHz ，分频后的时钟频率为 (50/6) MHz。程序如下：
设计代码：
1 //rtl 2 module divider( 3 clk, 4 rst_n, 5 clk_div 6 ); 7 input clk; 8 input rst_n; 9 output clk_div; 10 reg clk_div; 11 12 parameter NUM_DIV = 6; 13 reg [3:0] cnt; 14 15 always @(posedge clk or negedge rst_n) 16 if(!rst_n) begin 17 cnt <= 4\'d0; 18 clk_div <= 1\'b0; 19 end 20 else if(cnt < NUM_DIV / 2 - 1) begin 21 cnt <= cnt + 1\'b1; 22 clk_div <= clk_div; 23 end 24 else begin 25 cnt <= 4\'d0; 26 clk_div <= ~clk_div; 27 end 28 endmodule
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仿真程序：
1 //tb 2 module divider_tb(); 3 reg clk; 4 reg rst_n; 5 wire clk_div; 6 parameter DELY=100; 7 divider U_divider( 8 .clk (clk ), 9 .rst_n (rst_n ), 10 .clk_div(clk_div) 11 ); 12 always #(DELY/2) clk=~clk;//产生时钟波形 13 initial begin 14 $fsdbDumpfile("divider_even.fsdb"); 15 $fsdbDumpvars(0,U_divider); 16 end 17 initial begin 18 clk=0;rst_n=0; 19 #DELY rst_n=1; 20 #((DELY*20)) $finish; 21 end 22 endmodule
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可以看到，clk的上升沿，采样到cnt=2的时候，就翻转,采样到0和1的时候，保持。这样就可以做到一半高电平，一半低电平。
2、奇分频
由于奇分频需要保持分频后的时钟占空比为 50% ，所以不能像偶分频那样直接在分频系数的一半时使时钟信号翻转(高电平一半，低电平一半)。
在此我们需要利用输入时钟上升沿和下降沿来进行设计。
由于奇分频需要保持分频后的时钟占空比为 50% ，所以不能像偶分频那样直接在分频系数的一半时使时钟信号翻转(高电平一半，低电平一半)。
在此我们需要利用输入时钟上升沿和下降沿来进行设计。
接下来我们设计一个 5 分频的模块，设计思路如下：
采用计数器 cnt1 进行计数，在时钟上升沿进行加 1 操作，计数器的值为 0、1 时，输出时钟信号 clk_div 为高电平；计数器的值为2、3、4 时，输出时钟信号 clk_div 为低电平，计数到 5 时清零，从头开始计数。我们可以得到占空比为 40% 的波形 clk_div1。
采用计数器 cnt2进行计数，在时钟下降沿进行加 1 操作，计数器的值为 0、1 时，输出时钟信号 clk_div 为高电平；计数器的值为2、3、4 时，输出时钟信号 clk_div 为低电平，计数到 5 时清零，从头开始计数。我们可以得到占空比为 40% 的波形 clk_div2。
clk_div1 和clk_div2 的上升沿到来时间相差半个输入周期，所以将这两个信号进行或操作，即可得到占空比为 50% 的5分频时钟。程序如下：
clk_div1 和clk_div2 的上升沿到来时间相差半个输入周期，所以将这两个信号进行或操作，即可得到占空比为 50% 的5分频时钟。程序如下：
设计代码：
1 //rtl 2 module divider( 3 clk, 4 rst_n, 5 clk_div 6 ); 7 input clk; 8 input rst_n; 9 output clk_div; 10 reg clk_div; 11 12 parameter NUM_DIV = 5; 13 reg[2:0] cnt1; 14 reg[2:0] cnt2; 15 reg clk_div1, clk_div2; 16 17 always @(posedge clk or negedge rst_n) 18 if(!rst_n) 19 cnt1 <= 0; 20 else if(cnt1 < NUM_DIV - 1) 21 cnt1 <= cnt1 + 1\'b1; 22 else 23 cnt1 <= 0; 24 25 always @(posedge clk or negedge rst_n) 26 if(!rst_n) 27 clk_div1 <= 1\'b1; 28 else if(cnt1 < NUM_DIV / 2) 29 clk_div1 <= 1\'b1; 30 else 31 clk_div1 <= 1\'b0; 32 33 always @(negedge clk or negedge rst_n) 34 if(!rst_n) 35 cnt2 <= 0; 36 else if(cnt2 < NUM_DIV - 1) 37 cnt2 <= cnt2 + 1\'b1; 38 else 39 cnt2 <= 0; 40 41 always @(negedge clk or negedge rst_n) 42 if(!rst_n) 43 clk_div2 <= 1\'b1; 44 else if(cnt2 < NUM_DIV / 2) 45 clk_div2 <= 1\'b1; 46 else 47 clk_div2 <= 1\'b0; 48 49 assign clk_div = clk_div1 | clk_div2; 50 endmodule
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仿真代码：
1 //tb 2 module divider_tb(); 3 reg clk; 4 reg rst_n; 5 wire clk_div; 6 parameter DELY=100; 7 divider U_divider( 8 .clk (clk ), 9 .rst_n (rst_n ), 10 .clk_div(clk_div) 11 ); 12 always #(DELY/2) clk=~clk;//产生时钟波形 13 initial begin 14 $fsdbDumpfile("divider_odd.fsdb"); 15 $fsdbDumpvars(0,U_divider); 16 end 17 initial begin 18 clk=0;rst_n=0; 19 #DELY rst_n=1; 20 #((DELY*20)) $finish; 21 end 22 endmodule
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对其进行测试和验证（此仿真波形是三分频，占空比50%），即上述程序吧NUM_DIV改成3即可，得到如下波形：
3.任意占空比的任意分频
在verilog程序设计中，我们往往要对一个频率进行任意分频，而且占空比也有一定的要求这样的话，对于程序有一定的要求。
现在在前面两个实验的基础上做一个简单的总结，实现对一个频率的任意占空比的任意分频。
比如： FPGA系统时钟是50M Hz，而我们要产生的频率是880Hz，那么，我们需要对系统时钟进行分频。很容易想到用计数的方式来分频：50000000/880 = 56818。
显然这个数字不是2的整幂次方，那么我们可以设定一个参数，让它到56818的时候重新计数就可以实现了。程序如下：
设计代码：
1 //rtl 2 module div( 3 clk, 4 rst_n, 5 clk_div 6 ); 7 input clk,rst_n; 8 output clk_div; 9 reg clk_div; 10 11 reg [15:0] counter; 12 13 always @(posedge clk or negedge rst_n) 14 if(!rst_n) 15 counter <= 0; 16 else if(counter==56817) 17 counter <= 0; 18 else 19 counter <= counter+1; 20 21 assign clk_div = counter[15]; 22 endmodule
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仿真代码：
1 //tb 2 module div_tb(); 3 reg clk; 4 reg rst_n; 5 wire clk_div; 6 parameter DELY=100; 7 div U_div( 8 .clk (clk ), 9 .rst_n (rst_n), 10 .clk_div(clk_div) 11 ); 12 always #(DELY/2) clk=~clk;//产生时钟波形 13 initial begin 14 $fsdbDumpfile("div_any.fsdb"); 15 $fsdbDumpvars(0,U_div); 16 end 17 initial begin 18 clk=0;rst_n=0; 19 #DELY rst_n=1; 20 #((DELY*80000)) $finish; 21 end 22 endmodule
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分频的应用很广泛，一般的做法是先用高频时钟计数，然后使用计数器的某一位输出作为工作时钟进行其他的逻辑设计，上面的程序就是一个体现。
下面我们来算一下它的占空比：
我们清楚地知道，这个输出波形在counter为0到32767（2的14次方）的时候为低，在32768到56817的时候为高，占空比为40%多一些，
如果我们需要占空比为50%，那么我们需要再设定一个参数，使它为56817的一半，使达到它的时候波形翻转，就可以实现结果了。
程序如下：28408=56818/2-1，计数到28408就清零，翻转，其余的计数期间，保持不变。
设计代码：
1 //rtl 2 module div( 3 clk, 4 rst_n, 5 clk_div 6 ); 7 input clk,rst_n; 8 output clk_div; 9 reg clk_div; 10 reg [14:0] counter; 11 always @(posedge clk or negedge rst_n) 12 if(!rst_n) 13 counter <= 0; 14 else if(counter==28408) 15 counter <= 0; 16 else 17 counter <= counter+1; 18 19 always @(posedge clk or negedge rst_n) 20 if(!rst_n) 21 clk_div <= 0; 22 else if(counter==28408) 23 clk_div <= ~clk_div; 24 endmodule
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仿真代码：
1 //tb 2 module div_tb(); 3 reg clk; 4 reg rst_n=0; 5 wire clk_div; 6 parameter DELY=100; 7 div U_div( 8 .clk (clk ), 9 .rst_n (rst_n), 10 .clk_div(clk_div) 11 ); 12 always #(DELY/2) clk=~clk;//产生时钟波形 13 initial begin 14 $fsdbDumpfile("div_any.fsdb"); 15 $fsdbDumpvars(0,U_div); 16 end 17 initial begin 18 clk=0;rst_n=0; 19 #DELY rst_n=1; 20 #((DELY*80000)) $finish; 21 end 22 endmodule
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继续让我们来看如何实现任意占空比，比如还是由50M分频产生880Hz，而分频得到的信号的占空比为30%。
56818×30%=17045
设计代码：
1 //rtl 2 module div( 3 clk, 4 rst_n, 5 clk_div, 6 counter 7 ); 8 input clk,rst_n; 9 output clk_div; 10 reg clk_div; 11 output [15:0] counter; 12 reg [15:0] counter; 13 14 always @(posedge clk) 15 if(!rst_n) 16 counter <= 0; 17 else if(counter==56817) 18 counter <= 0; 19 else counter <= counter+1; 20 21 always @(posedge clk) 22 if(!rst_n) 23 clk_div <= 0; 24 else if(counter<17045) 25 clk_div <= 1; 26 else 27 clk_div <= 0; 28 endmodule
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仿真代码：
1 //tb 2 module div_tb(); 3 reg clk; 4 reg rst_n; 5 wire clk_div; 6 wire [15:0] counter; 7 parameter DELY=100; 8 div U_div( 9 .clk (clk ), 10 .rst_n (rst_n ), 11 .counter(counter), 12 .clk_div(clk_div) 13 ); 14 always #(DELY/2) clk=~clk;//产生时钟波形 15 initial begin 16 $fsdbDumpfile("div_any.fsdb"); 17 $fsdbDumpvars(0,U_div); 18 end 19 initial begin 20 clk=0;rst_n=0; 21 #DELY rst_n=1; 22 #((DELY*80000)) $finish; 23 end 24 endmodule
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4 小结
通过以上几个例子对比不难发现，借助计数器来实现任意点空比的任意分频的方法简单，且用verilog语言进行行为描述时，代码简洁、易懂、通用。
通过以上的学习，对分频器有了比较深刻的认识，将在以后的学习中会有广泛的应用。
通过以上的学习，对分频器有了比较深刻的认识，将在以后的学习中会有广泛的应用。
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