verilog语法实例学习(8)

常用的时序电路介绍

在电平敏感的锁存器时钟信号有效期（高电平）期间，锁存器的状态随着输入信号的变化而变化。有时候，我们需要存储器的状态在一个时钟周期只改变一次，这个时候就用到了触发器。触发器(flipflop)这个术语表示在时钟的边沿时刻改变状态的存储元件。下面分别是D锁存器，D触发器(正边沿，上升沿触发),D触发器(负边沿，下降沿触发)的图形符号。图中用>表示边沿触发，小圆圈表示该触发器在负边沿触发。

Load_n和Rst_n连线上的小圆圈表示这两个信号时低电平有效。Rst_n将置Q=0，Load_n将置Q=1。

注意：通常在verilog中，我们定义变量名字，如果里面带有_n，就表示该信号是在时钟下降沿触发，n就是negative的意思，这是verilog程序代码中大家默认的一个约定。

主从D触发器

把两个D锁存器串联起来，可以组成主从D触发器，如下图所示。

对于第一个图：clk=1时候，Q_m的值随着D变化而变化，Q_s保持不变，当clk=0时候，Q_m不在变化，Q_s=Q_m，所以在一个时钟周期内Q_s只变化一次。从外部观察者角度，Q在时钟的下降沿改变状态Q=D。

对于第二个图：clk=0时候，Q_m的值随着D变化而变化，Q_s保持不变，当clk=1时候，Q_m不在变化，Q_s=Q_m，所以在一个时钟周期内Q_s只变化一次。从外部观察者角度，Q在时钟的上升沿改变状态Q=D。

D触发器其它实现方式

相同的逻辑功能，可以有不同的电路实现方式。上面的主从D触发器，共有4+4=8个与非门，还有3个反相器，总共11个逻辑门(假设用与非门实现D锁存器，电路图参照前面一篇文章)。我们可以考虑下面的电路，它也可以实现上升沿触发的D触发器。它只有6个与非门，相比主从触发器，更有效率。

Clk=0时，P1=1，P2=1，所以5，6与非门组成的锁存器保持Q当前值。同时P4=~D(这是因为clk=0，所以P2=1,P4=~(P2&D)=~D), P3= ~(P4&P1)=~(P4)=~(~D)=D。

Clk=1时，P1=~(P3&clk)=~D,P2=~（P1&clk&P4)=~（~D&~D)=D,所以Q=D

所以该电路实现了一个上升沿触发的D触发器。

为了使电路保持稳定，Clk信号从0变为1时候，P3和P4必须保持稳定。因此触发器的建立时间为信号D通过门4和门1到P3点的延时时间。触发器的保持时间为门3的延时时间，因为一旦信号P2保持稳定后，D再变化也没有关系了。为了保证电路可靠工作，有必要说明在Clk变为1之后，只要clk=1，信号D的任何后续变化都不会对锁存器的输出产生任何影响。这分为两种情况，第一种情况，假设时钟上升沿时候D=0，则p2=0，因而在clk=1期间，门4的输出保持为1(不管D后续如何变化)。第二种情况，如果时钟上升沿D=1,则P1=0,从而使得门1和门3输出都为1，而与输入信号D无关。所以在clk=1期间，触发器不会理会输入端D的变化。

用或非门构成的类似的电路，可以实现下降沿触发的D触发器。

如下图所示电路，若clk=1, 则P1=0，P2=0，所以5，6或非门组成的锁存器保持Q当前值。同时P4=~D(这是因为clk=1，所以P2=0,P4=~(P2|D)=~D), P3= ~(P4|P1)=~(P4)=~(~D)=D。

Clk=0时，P1=~(P3|clk)=~D,P2=~（P1|clk|P4)=~（~D&~D)=D,所以Q=D

所以该电路实现了一个下降沿触发的D触发器。

D触发器verilog实现

D触发器类似锁存器，区别是它在时钟边沿触发，比如下面的代码在时钟上升沿触发Q=D。

module flipflop(D,clk,Q);
  input D;
  input clk;
  output reg Q;

  always @(posedge clk)
    Q <=D;

endmodule

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module flipflop_tb;
  reg D;
  wire Q;
  reg clk;

  flipflop flipflop0(.D(D),.clk(clk),.Q(Q));
  always # (`clock_period/2) clk = ~clk;

  initial
  begin
    D = 1'b0;
	 clk = 1'b0;
	 #(`clock_period)
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*2)
	 D = 1'b0;
	 #(`clock_period*4)
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*10)
    $stop;
  end

endmodule

含复位端和预置信号触发器的电路

把上面与非门实现的D触发器中的电路图进行修改，加入预置信号Load_n和复位信号Rst_n。如下图虚线所示，在交叉耦合的锁存器的每个与非门输入端增加一个输入信号。Rst_n =0 会迫使触发器进入Q=0的状态，Rst_n=1对与非门的输出没有任何影响。同理，Load_n=0,会使出使触发器进入Q=1的状态，而Load_n=1,对触发器没有任何影响。注意：不能使Rst_n和Load_n同时为0。

下面把主从D触发器的电路，进行一点修改，并加入预置信号Load_n和复位信号Rst_n。注意：从级没有采用标准的D锁存器，而使用了简单的SR锁存器，可以减少一个非门。如下图虚线所示，在交叉耦合的锁存器的每个与非门输入端增加一个输入信号。Rst_n =0 会迫使触发器进入Q=0的状态，Rst_n=1该输入对与非门的输出没有任何影响。同理，Load_n=0,会使出使触发器进入Q=1的状态，而Load_n=1,对触发器没有任何影响。

注意：不能使Rst_n和Load_n同时为0。

上面这两个图中的Rst_n和Load_n都是在低电平时候起作用。比如Rst_n,一旦其为0，则Q立即为0，而与时钟信号没有关系，这种清零复位方式称为异步复位。也可以在时钟的有效沿实现触发器复位清零，这种方式称为同步复位。比如下图中我们把D和Rst_n用一个与门连接起来，Rst_n=1对电路没有影响，Rst_n=0,则在下一个时钟上升沿到来时，触发器清零。

含复位端的触发器

下面的代码实现了一个含异步复位的D触发器。我们增加了一个异步复位信号Rst_n(信号名字后面加一个n，通常表示低电平触发信号)。

低电平有效的复位信号是下降沿触发，高电平有效的复位信号是上升沿触发。（从高变到低，此时是低电平，一定是下降沿，反之一定是上升沿)。所以在代码中，我们通过判断Rst_n==0来复位Q。

module flipflop_ar(D,clk,Rst_n,Q);
  input D;
  input clk;
  input Rst_n; //复位信号

  output reg Q;

  always @(posedge clk, negedge Rst_n)
    if(Rst_n==0)
	   Q <= 1'b0;
	 else
	   Q <= D ;

endmodule

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module flipflop_ar_tb;
  reg D;
  wire Q;
  reg clk;
  reg Rst_n;

  flipflop_ar flipflop_ar0(.D(D),.clk(clk),.Rst_n(Rst_n),.Q(Q));
  always # (`clock_period/2) clk = ~clk;

  initial
  begin
    D = 1'b0;
	 clk = 1'b0;
	 Rst_n = 1'b1;
	 #(`clock_period)
	 Rst_n = 1'b0;
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period)
	 Rst_n = 1'b1;
	 #(`clock_period*2)
	 D = 1'b0;
	 #(`clock_period*4)
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*10)
    $stop;
  end

endmodule

异步复位这儿指的是通过复位信号的边沿触发复位。如果在时钟信号的边沿触发复位，则是同步复位。

下面是同步复位的代码:

module flipflop_sr(D,clk,Rst_n,Q);
  input D;
  input clk;
  input Rst_n; //复位信号

  output reg Q;

  always @(posedge clk)
    if(Rst_n==0)
	   Q <= 1'b0;
	 else
	   Q <= D ;

endmodule

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module flipflop_sr_tb;
  reg D;
  wire Q;
  reg clk;
  reg Rst_n;

  flipflop_sr flipflop_sr0(.D(D),.clk(clk),.Rst_n(Rst_n),.Q(Q));
  always # (`clock_period/2) clk = ~clk;

  initial
  begin
    D = 1'b0;
	 clk = 1'b0;
	 Rst_n = 1'b0;
	 #(`clock_period)
	 Rst_n = 1'b1;
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*2)
	 D = 1'b0;
	 #(`clock_period*4)
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*10)
    $stop;
  end

endmodule

带置位和复位的同步D触发器代码：

module flipflop_srl(D,clk,Rst_n,Load_n,Q);
  input D;
  input clk;
  input Rst_n; //复位信号
  input Load_n; //置位信号，也是低电平有效

  output reg Q;

  always @(posedge clk)
    if(Rst_n==0)
	   Q <= 1'b0;
	 else if(Load_n==0)
	   Q <= 1'b1;
	 else
	   Q <= D ;

endmodule

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module flipflop_srl_tb;
  reg D;
  wire Q;
  reg clk;
  reg Rst_n;
  reg Load_n;

  flipflop_srl flipflop_srl0(.D(D),.clk(clk),.Rst_n(Rst_n),.Load_n(Load_n),.Q(Q));
  always # (`clock_period/2) clk = ~clk;

  initial
  begin
    D = 1'b0;
	 clk = 1'b0;
	 Rst_n = 1'b0;
	 Load_n = 1'b1;
	 #(`clock_period)
	 Rst_n = 1'b1;
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*2)
	 D = 1'b0;
	 #(`clock_period*2)
	 Load_n = 1'b0;
	 #(`clock_period*4)
	 Load_n = 1'b1;
	 D = 1'b1;
	 #(`clock_period*10)
    $stop;
  end

endmodule