小程序大道理---计数器与行波时钟 计数器, 程序

yuchengze

之前写过一篇关于 “加法器” 的博文，研究了加法器的底层电路，本来想要研究一下“行波时钟”，由于涉及到计数器，那么就先看看 “计数器” 在FPGA中综合后是什么样的 ？然后再看“行波时钟”的情况 ？

1、如下 简单的不能再简单的程序
module top( clk,clk_out);
input  clk;
output reg clk_out;

reg [2:0] cnt;
always@(posedge clk)
if(cnt==3'd4)
begin
  cnt<=3'd0;
  clk_out<=~clk_out;
end
else cnt<=3'd1+cnt;
endmodule
RTL视图

RTL 看看就行了，功能视图，不代表综合后的，差距还是很大很大滴 ！
Technology Map Viewer

先不看clk_out，只关注 cnt 计数器。计数器和加法器的电路结构还是很不一样的 ！
cnt 输入 输出 真值表
       输入                    输出
cnt[2] cnt[1] cnt[0]     cnt[2] cnt[1] cnt[0]
   0     0      0          0      0      1
   0     0      1          0      1      0
   0     1      0          0      1      1
   0     1      1          1      0      0
   1     0      0          0      0      0
   1     0      1          1      1      0
   1     1      0          1      1      1
   1     1      1          0      0      0

写成逻辑函数 cnt[2]=cnt[2]'cnt[1]cnt[0]+cnt[2]cnt[1]'cnt[0]+cnt[2]cnt[1]cnt[0]'
      =(cnt[2]$cnt[1])cnt[0]+cnt[2]cnt[1]cnt[0]'
注意： $代表异或；化简的方法 公式法和卡诺图法
对应的 cnt[2] 综合后的电路如下，上边cnt~2 放大既可以看到里边电路结构

这个电路模块在一个 LUT 中实现，LUT 实现这个电路是用 查找表SRAM 的方式！
cnt[1] 和cnt[0] 同样的道理（略） ；
到这里，不得不感慨 综合器的强大，把行为级的verilog描述转换成了电路 ！省去了
真值表---逻辑函数---化简---电路 这一复杂的过程 ！
也看到了计数器和加法器（串行进位加法器）是完全不同的电路结构 ！
2、说说“行波时钟”
上边的 clk_out 就是一个“行波时钟”，其他时序逻辑产生 一个时钟clk_out
clk_out这个触发器（寄存器）再作为时钟源，驱动其他电路模块触发器的时钟接入端。
这不是一个太好的方式，当然相比于组合逻辑产生的“门控时钟”，这个时钟还是很不  错的 。“行波时钟”有延时的弊端，延时不好控制，到源寄存器和目的寄存器延时都不同，容易出现时序问题，而且驱动能力不强，毕竟不是全局时钟网路 ！
如果就是需要通过计数分频产生一个时钟，怎么办 ？？
“时钟使能”方式，通过修改"行波时钟"的生成逻辑，在“行波时钟”的上升沿（或下降沿）产生宽度为一个“基时钟”周期的正脉冲，把这个脉冲信号作为后级触发器的时钟使能信 号，用“基时钟”代替“行波时钟”作为后级触发器的时钟输入信号，从而把原本由“行波时钟”驱动的后级逻辑转换为由“基时钟”驱动，并采用新生成的时钟使 能信号来产生与“行波时钟”边沿对应的时序控制。这样一来，原本由两个时钟驱动的复杂同步电路（“行波时钟”方案并不能看作异步时钟方案）就转化为了由同一个“基时钟”驱动的简单同步电路。（此段转自riple的博文）
例如：
module top( clk,dataout);
input clk;
output  reg [3:0]dataout;

wire en;
reg [2:0] cnt;
always@(posedge clk)
if(cnt==3'd4)
begin
  cnt<=3'd0;
end
else cnt<=3'd1+cnt;

assign en=(cnt==3'd4);

always@(posedge clk )
if(en)
begin dataout<=dataout+4'd1; end

endmodule