VerilogHDL數(shù)字設計教程(賀敬凱)第4章

4.1常用組合邏輯電路設計4.2常用時序邏輯電路設計

4.3小結

習題44.1常用組合邏輯電路設計

理論上，可利用化簡真值表并采用邏輯門來實現(xiàn)電路的方法，對所有組合電路進行設計，但使用該方法設計大型組合電路則不太現(xiàn)實。例如，一個有12個輸入的電路，在真值表中會有212?=?4?K行。降低復雜度的一種方法就是采用比邏輯門功能更強大的組合元件，圖4-1列出了常用的幾種組合元件。圖4-1組合元件下面使用VerilogHDL分別對上述組合元件及常用的組合邏輯電路進行建模。1.數(shù)據(jù)選擇器例4-1實現(xiàn)了一個n位，m?×?1的數(shù)據(jù)選擇器。【例4-1】參數(shù)型n位，m?×?1數(shù)據(jù)選擇器。

modulemultiplexer_N(X1,X2,X3,X4,sel,Y);

parameterN=8;//該參數(shù)定義了一個8位的4選1多路選擇器

input[N-1:0]X1,X2,X3,X4;input[1:0]sel;outputreg[N-1:0]Y;always@(sel,X1,X2,X3,X4) case(sel) 2'b00:Y=X1; 2'b01:Y=X2; 2'b10:Y=X3; 2'b11:Y=X4;endcaseendmodule程序說明：(1)程序中定義了4個輸入X1、X2、X3、X4，一個輸出Y，使用控制信號sel選擇4個輸入中的1個賦給Y。(2)程序中使用parameter定義了一個參數(shù)常量N，通過修改參數(shù)可以很容易地改變輸入、輸出的位數(shù)。2.譯碼器例4-2實現(xiàn)了一個log2n?×?n的譯碼器。【例4-2】參數(shù)型log2n?×?n譯碼器。

moduledecode_N(sel,Y);

parameterN=4; //該參數(shù)定義了一個4輸出(4位)譯碼器

input[1:0]sel; //此參數(shù)為2位，通過計算log24=2可得到4輸出譯碼器

outputreg[N-1:0]Y;

always@(sel)

case(sel)

2'b00:Y=4'b0001; 2'b01:Y=4'b0010; 2'b10:Y=4'b0100; 2'b11:Y=4'b1000;endcaseendmodule程序說明：

(1)程序中定義了一個輸入sel，一個輸出Y，使用控制信號sel來確定Y的輸出。(2)由于本程序涉及求以2為底的對數(shù)計算，因此若修改參數(shù)N，sel的位數(shù)就要手工做相應調整，這樣才可實現(xiàn)任意位數(shù)的譯碼器。3.加法器例4-3實現(xiàn)了N位加法器。【例4-3】參數(shù)型N位加法器。moduleadd_N(X,Y,sum,co);

parameterN=8;

input[N-1:0]X,Y;output[N-1:0]sum;outputco;assign{co,sum}=X+Y;endmodule程序說明：(1)程序中，X和Y分別為加數(shù)和被加數(shù)，sum和co分別為本位和及進位。(2)本例使用數(shù)據(jù)流建模實現(xiàn)，在綜合時會自動映射為QuartusⅡ自帶的加法器宏功能模塊。4.乘法器例4-4實現(xiàn)了N位乘法器。【例4-4】參數(shù)型N位乘法器。

modulemul_N(X,Y,mul);

parameterN=8;

input[N-1:0]X,Y;

output[2*N-1:0]mul;

assignmul=X*Y;

endmodule程序說明：

(1)程序中，X和Y分別為乘數(shù)和被乘數(shù)，mul為兩者的積。(2)本例使用數(shù)據(jù)流建模實現(xiàn)，在綜合時，會自動映射為QuartusⅡ自帶的乘法器宏功能模塊。5.比較器例4-5實現(xiàn)了N位比較器?！纠?-5】參數(shù)型N位比較器。

modulecompare_N(X,Y,X_gt_Y,X_eq_Y,X_lt_Y);

parameterN=8;//參與比較的數(shù)的位數(shù)為8

nput[N-1:0]X,Y;

outputregX_gt_Y,X_eq_Y,X_lt_Y;always@(X,Y)

if(X>Y)

beginX_gt_Y=1;X_eq_Y=0;X_lt_Y=0;end elseif(X==Y) beginX_gt_Y=0;X_eq_Y=1;X_lt_Y=0;end else beginX_gt_Y=0;X_eq_Y=0;X_lt_Y=1;endendmodule程序說明：(1)比較器實現(xiàn)的功能見表4-1。(2)比較器有3個輸出，在任一時刻僅有一個輸出為1，即僅有一個輸出有效。6.?ALU例4-6實現(xiàn)了一個n位、m功能的ALU?！纠?-6】參數(shù)型n位、m功能ALU。

modulealu_N(X,Y,sel,result);

parameterN=8;

input[2:0]sel;//3位可定義m=8功能

input[N-1:0]X,Y;

outputreg[N-1:0]result;

always@(X,Y,sel)

begin case(sel) 3'b000:result=X+Y;//加法

3'b001:result=X-Y;//減法

3'b010:result=X<<1;//左移1位

3'b011:result=X>>1;//右移1位

3'b100:result=X&Y;//相與 3'b101:result=X^Y;//異或 3'b110:result=~X;//求反 3'b111:result=X;//直通 endcaseendendmodule程序說明：(1)?ALU實現(xiàn)的功能見表4-2。(2)算術邏輯運算ALU通過一條或多條輸入總線完成算術或邏輯運算。ALU是CPU的核心部件之一，是設計CPU時必不可少的內容。7.三態(tài)總線引入三態(tài)門有許多實際的應用，如CPU設計中的數(shù)據(jù)和地址總線的構建、RAM或堆棧的數(shù)據(jù)端口的設計等。在設計中，若對變量賦值為z，則會引入三態(tài)門，并在控制下可使其輸出呈高阻態(tài)，這等效于三態(tài)門禁止輸出。三態(tài)門設計示例如例4-7。【例4-7】設計三態(tài)門。moduletri_s(enable,datain,dataout);parameterN=8;inputenable;input[N-1:0]datain;outputreg[N-1:0]dataout;always@(enable,datain) if(enable==1)dataout=datain; elsedataout='bz;endmodule程序說明：(1)本程序在QuartusⅡ中的綜合結果如圖4-2所示。

從圖中可以看出，三態(tài)門綜合后映射成了VerilogHDL的基本門原語buf。圖4-2三態(tài)門控制電路的綜合結果(2)參數(shù)N表示輸入、輸出的數(shù)據(jù)位寬，改變參數(shù)即可改變輸入、輸出的數(shù)據(jù)位寬，從而增強程序的可移植性。為構成數(shù)字系統(tǒng)內部的總線系統(tǒng)，必須設計三態(tài)總線驅動器電路，這可以有多種表達方法，但必須注意信號多驅動源的處理問題。例4-8、例4-9和例4-10都試圖描述一個8位4通道的三態(tài)總線驅動器，但其中有一個程序不能得到預期的結果?！纠?-8】N位4通道的三態(tài)總線驅動器。moduletri_bus(input3,input2,input1,input0,enable,out);parameterN=8;input[N-1:0]input3,input2,input1,input0;input[1:0]enable;outputreg[N-1:0]out;always@(enable,input3,input2,input1,input0)beginif(enable==2'b00)out=input3;elseout='bz;if(enable==2'b01)out=input2;elseout='bz;if(enable==2'b10)out=input1;elseout='bz;if(enable==2'b11)out=input0;elseout='bz;endendmodule【例4-9】N位4通道的三態(tài)總線驅動器(實現(xiàn)方法1)。moduletri_bus_2(input3,input2,input1,input0,enable,out);parameterN=8;input[N-1:0]input3,input2,input1,input0;input[1:0]enable;output[N-1:0]out;assignout=(enable==2'b00)?input3:'bz,out=(enable==2'b01)?input2:'bz,out=(enable==2'b10)?input1:'bz,out=(enable==2'b11)?input0:'bz;endmodule【例4-10】N位4通道的三態(tài)總線驅動器(實現(xiàn)方法2)。moduletri_bus_3(input3,input2,input1,input0,enable,out);parameterN=8;input[N-1:0]input3,input2,input1,input0;input[1:0]enable;outputreg[N-1:0]out;always@(enable,input3,input2,input1,input0)beginif(enable==2'b00)out=input3; elseout='bz;endalways@(enable,input3,input2,input1,input0)beginif(enable==2'b01)out=input2;elseout='bz;endalways@(enable,input3,input2,input1,input0)beginif(enable==2'b10)out=input1;elseout='bz;

endalways@(enable,input3,input2,input1,input0)begin if(enable==2'b11)out=input0; elseout='bz;endendmodule對例4-8、例4-9和例4-10的程序說明如下：(1)例4-8和例4-9、例4-10在QuartusⅡ中綜合的結果分別如圖4-3和圖4-4所示。圖4-3例4-8的綜合結果圖4-4例4-9、例4-10的綜合結果從綜合結果來看，例4-8沒有得到預期的效果。(2)例4-8和例4-9、例4-10在QuartusⅡ中仿真的結果分別如圖4-5和圖4-6所示。圖4-6例4-9、例4-10的仿真結果從仿真結果也可以看出，例4-8沒有得到預期的效果。(3)例4-8在一個always塊中放了4個順序完成的if語句，并且是完整的條件描述語句。粗看此程序認為會產生4個N位的三態(tài)控制通道，且輸出只有一個信號out。但是，細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，在例4-8的always塊中輸出信號有4個賦值源，也就是4個if語句都是對out進行賦值，這樣在綜合時，只有最后一個if語句起作用，也就是說前3個if語句沒有任何意義，從綜合結果可以清楚地看到這一點。下面再通過一個小例子進行說明?！纠?-11】多個賦值源的賦值語句。always@(a,b,c,d)begin out=a; out=b; out=c; out=d;end讀者很容易理解，out的值為d，always塊中的前三條語句沒有意義。事實上，例4-8的道理跟這個例子的道理是一樣的。(4)例4-9由于使用了4個并列的assign并行語句，因此能綜合出正確的結果。這是因為，每一條assign語句都等同于一個獨立運行的always塊，每一條assign語句右側表達式中的所有變量等同于always塊中的敏感信號列表，只要有一個發(fā)生變化，assign語句就立刻執(zhí)行。因此，例4-9和例4-10是等價的，從綜合和仿真的結果也可以證明這一點。(5)例4-9和例4-10表明，要設計出能產生獨立控制的多通道的電路結構，必須使用并行語句結構。但應注意，例4-9和例4-10中對同一個輸出信號out有4個并行賦值源，在實際電路中完全可能發(fā)生“線與”。所以，在程序中，每個賦值源都使用了if…else…結構，保證了條件不滿足時，其輸出為高阻態(tài)值“z”，這樣可以保證不會發(fā)生“線與”。但如果條件不滿足，其輸出不為高阻態(tài)值，那么就無法得到預期的結果。4.2常用時序邏輯電路設計

時序邏輯電路的一個特點是：任何一個時刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當時的輸入信號，還與電路的原始狀態(tài)有關。也就是說，時序電路含有記憶元件，具有反饋通道。時序邏輯電路包括各類觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、存儲器等。就像使用較抽象的組合元件來實現(xiàn)復雜的組合邏輯一樣，也可以使用較抽象的時序元件來設計復雜的時序邏輯。圖4-7顯示了下面幾種常用的時序元件。圖4-7時序元件下面使用VerilogHDL分別對上述時序元件及常用的時序邏輯電路進行建模。1.?D觸發(fā)器和鎖存器D觸發(fā)器作為時序電路中最基本的單元，每個電路設計人員都必須能夠在理解其原理的基礎上熟練應用。D觸發(fā)器的作用是存儲一位二進制位的信息，在時鐘上升沿把數(shù)據(jù)從輸入端送到輸出端，其結構框圖如圖4-8所示。圖4-8D觸發(fā)器結構框圖使用QuartusⅡ綜合D觸發(fā)器極為簡捷方便，下面給出在時鐘上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器的VerilogHDL行為描述。【例4-12】一位D觸發(fā)器。實現(xiàn)方式一：modulemy_dff(clk,d,q);inputclk;inputd;outputregq;always@(posedgeclk) q<=d;endmoduleQuartusⅡ綜合的結果如圖4-8所示。實現(xiàn)方式二：調用QuartusⅡ軟件中的dff模塊實現(xiàn)D觸發(fā)器。modulemy_dff(clk,d,q);inputclk;inputd;outputq;dffmy_dff(d,clk,,,q);endmoduleQuartusⅡ綜合的結果同樣如圖4-8所示。兩種實現(xiàn)方式的仿真波形也是一樣的，如圖4-9所示。圖4-9D觸發(fā)器仿真波形從仿真波形來看，兩種實現(xiàn)方式得到的電路功能完全相同。事實上，對于一個簡單的觸發(fā)器來說，以上兩種設計方法，其核心都是一個簡單的D觸發(fā)器內核，QuartusⅡ軟件在綜合時會自動調用內部模塊，自動綜合為QuartusⅡ自帶的D觸發(fā)器電路模塊，從而使設計更加趨于合理。對于電平敏感的鎖存器，只需在D觸發(fā)器的描述中將上升沿改為電平即可，代碼如下例。例：一位電平敏感的鎖存器。modulemy_latch(clk,d,q);inputclk;inputd;outputregq;always@(clk,d) if(clk)q<=d;endmodule由一位D觸發(fā)器和一位鎖存器可以很容易地實現(xiàn)寄存器和多位鎖存器。2.寄存器寄存器是一種應用廣泛的時序邏輯器件，用于暫存數(shù)據(jù)。寄存器是時鐘邊沿敏感的。寄存器包括一般寄存器、三態(tài)寄存器，還包括具有復位、置位和使能功能的寄存器。下面分別舉例說明?！纠?-13】參數(shù)型n位寄存器。(1)一般寄存器。

moduleregx(clk,d,q);parameterN=8;inputclk;input[N-1:0]d;outputreg[N-1:0]q;always@(posedgeclk) q<=d;endmodule程序說明：①?QuartusⅡ綜合的結果如圖4-10所示。圖4-10一般寄存器的綜合結果②?D觸發(fā)器相當于一位寄存器，定義多位D觸發(fā)器即可構成寄存器。從兩者的代碼中也可以看出，D觸發(fā)器與寄存器的區(qū)別就是位數(shù)不同。(2)同步復位、同步置數(shù)、異步使能的寄存器。moduleregister_N_0(D,Q,data,en,load,reset,clk);parameterN=8;inputen,load,reset,clk;

input[N-1:0]D,data;

outputreg[N-1:0]Q;reg[N-1:0]temp;always@(posedgeclk)//同步復位、同步置數(shù)beginif(reset)temp<=0;elseif(load)temp<=data;elsetemp<=D;endalways@(temp,en)//異步使能beginif(en)Q<=temp;elseQ<='bz;endendmodule程序說明：①?QuartusⅡ綜合的結果如圖4-11所示。從圖中可以看出，對于QuartusⅡ軟件來說，異步方式是通過在寄存器后增加三態(tài)門來實現(xiàn)的，同步方式是通過多路選擇器來實現(xiàn)的。圖4-11同步復位、同步置數(shù)、異步使能的寄存器②同步復位、同步置數(shù)要求復位或置數(shù)必須在時鐘的上升沿發(fā)生。③事實上，復位、置數(shù)、使能三個信號可以任意選取同步、異步兩種方式之一，因此三個信號可以任意組合成8種不同功能的電路，如異步復位、同步置數(shù)、異步使能電路等。(3)異步復位、同步置數(shù)、異步使能的寄存器。moduleregister_N(D,Q,data,en,load,reset,clk);parameterN=8;inputen,load,reset,clk;

input[N-1:0]D,data;

outputreg[N-1:0]Q;reg[N-1:0]temp;always@(posedgeclkorposedgereset)//異步復位、同步置數(shù)beginif(reset)temp<=0;elseif(load)temp<=data;elsetemp<=D;endalways@(temp,en)//異步使能beginif(en)Q<=temp;elseQ<='bz;endendmodule程序說明：①?QuartusⅡ綜合的結果如圖4-12所示。圖4-12異步復位、同步置數(shù)、異步使能的寄存器②異步復位、同步置數(shù)要求只要復位信號為有效電平就復位，而置數(shù)必須在時鐘的上升沿發(fā)生。(4)三態(tài)寄存器。moduletri_reg(a,en,clk,q);parameterN=8;input[N-1:0]a;inputen,clk;outputreg[N-1:0]q;reg[N-1:0]val;always@(posedgeclk)begin:triregdataval<=a;endalways@(en,val)begin:trireg3stif(en)q<=val;elseq<='bz;endendmodule程序說明如下：①?QuartusⅡ綜合的結果如圖4-13所示。從綜合結果可以看出，三態(tài)寄存器是在寄存器后放置了一個三態(tài)門，從而實現(xiàn)了相應的功能。圖4-13三態(tài)寄存器的綜合結果②該電路的功能是：在clk的上升沿將數(shù)據(jù)d存入D觸發(fā)器，然后在en有效時，將存入Q的d值傳給q，en無效時，q的值為高阻態(tài)'bz。③引入三態(tài)電路有許多實際的應用，如CPU設計中的數(shù)據(jù)和地址總線的構建、RAM的數(shù)據(jù)端口的設計等。3.移位寄存器例4-14設計了一個n位移位寄存器，該寄存器具有左移、右移、置數(shù)功能?！纠?-14】參數(shù)型n位移位寄存器。//8位CPU中常用的移位寄存器模塊moduleshift_N(clk,Ci,mode,D,Q,Co);inputclk,Ci;//時鐘和移位輸入input[2:0]mode;//移位模式控制字input[N-1:0]D;//待加載移位的數(shù)據(jù)output[N-1:0]Q;//移位數(shù)據(jù)輸出outputregCo;//移位輸出reg[N-1:0]temp;parameterN=8;//8位移位寄存器always@(posedgeclk)begin case(mode)3'b000:begintemp<=D;end//加載待移數(shù) 3'b001:begintemp[0]<=Ci; temp[N-1:1]<=temp[N-2:0];Co<=temp[N-1];//帶進位循環(huán)左移 end

3'b010:begintemp[0]<=temp[N-1]; temp[N-1:1]<=temp[N-2:0];//自循環(huán)左移 end3'b011:begintemp[N-1]<=temp[0]; temp[N-2:0]<=temp[N-1:1];//自循環(huán)右移 end 3'b100:begintemp[N-1]<=Ci; temp[N-2:0]<=temp[N-1:1];Co<=temp[0];//帶進位循環(huán)右移 end default:temp<=temp;//保持 endcaseendassignQ=temp; //移位后輸出endmodule程序說明：(1)移位寄存器可以有多種工作模式，這由移位模式控制字mode來控制。(2)仿真波形如圖4-14所示。從圖中可以看出，第1個時鐘上升沿時，mode為3'b000，該模式為加載待置數(shù)，因此D的值被裝載進Q。第2個時鐘上升沿時，mode為3'b001，該模式為帶進位循環(huán)左移，因此D的值循環(huán)左移，同時D的最低位取此時刻Ci的值。從仿真波形圖中可以看出，本段代碼實現(xiàn)了題目要求的功能。圖4-14例4-14的仿真波形4.計數(shù)器例4-15設計了一個n位計數(shù)器，該計數(shù)器有計數(shù)、清零功能?！纠?-15】參數(shù)型n位計數(shù)器，帶有異步復位和同步時鐘使能。

modulecnt_N(clk,rst,en,Q,cout);inputclk,rst,en;outputreg[N-1:0]Q;outputcout;parameterN=4;always@(posedgerst,posedgeclk)begin if(rst)//計數(shù)器異步復位 Q<=0;//為了能生成諸如觸發(fā)器一類的時序邏輯，建議使用非阻塞賦值 else if(en)//計數(shù)器同步使能 Q<=Q+1; endassigncout=(Q==0)?1'b1:1'b0;//計數(shù)器計滿溢出后cout輸出1endmodule程序說明：(1)仿真波形如圖4-15所示。從圖中可以看出，本段代碼實現(xiàn)了一個十六進制計數(shù)器，并且具有異步復位和同步使能功能，在計數(shù)器溢出后將cout置1。圖4-15例4-15的仿真波形(2)本計數(shù)器實現(xiàn)的是2的整數(shù)次冪計數(shù)，如果不是2n計數(shù)，如何實現(xiàn)呢？這時，需要使用條件語句判斷計數(shù)是否達到最大值，如果是，則使計數(shù)器清零并從零開始計數(shù)。例4-16實現(xiàn)了一個十進制加法計數(shù)器。【例4-16】十進制加法計數(shù)器，帶有異步復位和同步時鐘使能功能。

modulecnt10(clk,rst,en,Q,cout);inputclk,rst,en;outputreg[N-1:0]Q;outputcout;parameterN=4;always@(posedgerst,posedgeclk)beginif(rst)//計數(shù)器異步復位 Q<=0;//為了能生成諸如觸發(fā)器一類的時序邏輯，建議使用非阻塞賦值 else if(en)//計數(shù)器同步使能 if(Q==9)Q<=0; elseQ<=Q+1; endassigncout=(Q==0)?1'b1:1'b0;//計數(shù)器計滿溢出后cout輸出1endmodule例4-16的仿真波形如圖4-16所示。從圖中可以看出，本段代碼實現(xiàn)了一個十進制加法計數(shù)器，并在計數(shù)器溢出后將cout置1。圖4-16例4-16的仿真波形5.分頻器在具體的電路設計中，可能需要很多種不同頻率的時鐘，但實際電路中往往只有一種單一頻率的外部時鐘輸入，這時候就需要分頻或倍頻以得到我們需要的時鐘頻率。對于倍頻電路，需要具體硬件的支持，本小節(jié)暫不闡述。對于分頻電路，通過簡單的設計即可實現(xiàn)。分頻器電路是非常有用的一種電路，分頻的方法很多，最常見的是利用加法計數(shù)器對時鐘信號進行分頻。下面通過幾個例子分別介紹2的整數(shù)次冪分頻、奇數(shù)分頻、偶數(shù)分頻的方法?！纠?-17】參數(shù)型2n分頻，占空比為50%。moduledivf_2powN(rst,clk,en,clk_N);inputrst,clk,en;outputclk_N;

parameterN=2;

reg[N-1:0]count;always@(posedgeclk)

beginif(rst)count<=0; elseif(en)count<=count+1;endassignclk_N=count[N-1];endmodule程序說明：(1)本例可實現(xiàn)2的任意整數(shù)次冪的分頻器設計，占空比為50%。(2)本例中N定義為常整數(shù)2，也就是說本例實現(xiàn)的是2的2次冪分頻，即4分頻。如果要實現(xiàn)2的N次冪分頻，則僅需要調用該模塊，并修改參數(shù)N即可。例如要實現(xiàn)8分頻，則將參數(shù)N修改為3即可，具體實現(xiàn)代碼如下：moduledivf_2pow3(rst,clk,en,clk8);inputrst,clk,en;outputclk8;divf_2powN#(3)divf8(rst,clk,en,clk8);endmodule(3)本例除了可以得到2的N次冪分頻外，還可以非常容易地得到2的N-1次冪、N-2次冪、…、1次冪分頻，只需要多添加幾條assign語句即可。例如：moduledivf_2pow4(rst,clk,en,clk2,clk4,clk8,clk16);inputrst,clk,en;outputclk2,clk4,clk8,clk16;reg[3:0]count;always@(posedgeclk)

begin if(rst)count<=0; elseif(en)count<=count+1;endassignclk2=count[0];//2分頻assignclk4=count[1];//4分頻assignclk8=count[2];//8分頻assignclk16=count[3];//16分頻endmodule【例4-18】參數(shù)型奇數(shù)分頻，要求占空比為50%。moduledivf_oddn(clk,clk_N);inputclk;outputclk_N;

parameterN=3;

integerp,q;

regclk_p,clk_q;

always@(posedgeclk)//N分頻設計實例，體會其算法(占空比為50%)

begin if(p==N-1)beginp=0;clk_p=~clk_p;endelsep=p+1;endalways@(negedgeclk)begin if(q==N-1)q=0;elseq=q+1; if(p==(N-1)/2)clk_q=~clk_q;endassignclk_N=clk_p^clk_q;endmodule程序說明：(1)對于奇數(shù)分頻，仍然采用加法計數(shù)的方法，只是要對時鐘的上升沿和下降沿分別計數(shù)，這是因為輸出波形的改變不僅僅發(fā)生在時鐘上升沿。(2)本例使用了兩個計數(shù)器p和q分別對上升沿和下降沿計數(shù)，然后通過組合邏輯assignclk_N=clk_p^clk_q;控制輸出時鐘的電平，從而得到需要的時鐘波形。(3)上述模塊定義了一個參數(shù)化的奇數(shù)分頻電路，并實現(xiàn)了一個3分頻電路。如果設計一個頂層模塊，調用該模塊并修改參數(shù)，則可實現(xiàn)任意奇數(shù)分頻。例如：moduledivf_oddn_top(clk,clk_3,clk_5,clk_7);inputclk;outputclk_3,clk_5,clk_7;divf_oddn#(3)div_odd3(clk,clk_3);divf_oddn#(5)div_odd5(clk,clk_5);divf_oddn#(7)div_odd7(clk,clk_7);endmodule上述模塊的仿真波形如圖4-17所示。圖4-17任意奇數(shù)分頻從圖4-17可知，上述代碼實現(xiàn)了任意奇數(shù)分頻。【例4-19】參數(shù)型偶數(shù)分頻，要求占空比為50%。moduledivf_even(clk,clk_N);inputclk;outputregclk_N;parameterN=6;integerp;always@(posedgeclk)beginif(p==N/2-1)beginp=0;clk_N=~clk_N;endelsep=p+1;endendmodule程序說明：(1)對于偶數(shù)分頻，仍然采用加法計數(shù)的方法，只是要對時鐘的上升沿進行計數(shù)，這是因為輸出波形的改變僅僅發(fā)生在時鐘上升沿。本例使用了一個計數(shù)器??p對上升沿計數(shù)，計數(shù)計到一半時，控制輸出時鐘的電平取反，從而得到需要的時鐘波形。(2)上述模塊定義了一個參數(shù)化的偶數(shù)分頻電路，并實現(xiàn)了一個6分頻電路。如果設計一個頂層模塊，調用該模塊并修改參數(shù)，則可實現(xiàn)任意偶數(shù)分頻。例如：moduledivf_even_top(clk,clk_12,clk_10);inputclk;outputclk_12,clk_10;divf_even#(12)div_even12(clk,clk_12);divf_even#(10)div_even10(clk,clk_10);endmodule上述模塊的仿真波形如圖4-18所示。圖4-18任意偶數(shù)分頻從圖4-18可知，上述代碼實現(xiàn)了任意偶數(shù)分頻?！纠?-20】可設置參數(shù)的任意分頻器，占空比可變。moduledivf_parameter(rst,clk,en,clkout);inputrst,clk,en;outputclkout;integertemp;//最大值為2的32次方parameterN=7,M=3;//N為分頻系數(shù),M/N為占空比always@(posedgeclk)beginif(rst)temp<=0; elseif(en) if(temp==N-1)temp<=0; elsetemp<=temp+1;endassignclkout=(temp<M)?1:0;endmodule(1)對于占空比可變的分頻器，這時需要設置兩個參數(shù)，一個控制分頻比，另一個控制占空比，從而得到需要的時鐘波形。上例中，N=7，M=3，說明是7分頻電路，占空比為3/7。(2)上述模塊定義了一個參數(shù)化的占空比可變的分頻電路。如果設計一個頂層模塊，調用該模塊并修改參數(shù)，則可實現(xiàn)任意占空比的分頻器。例如：modulediv_Para_top(rst,clk,en,clk3_2,clk5_1,clk6_3);//頂層設計inputrst,clk,en;outputclk3_2,clk5_1,clk6_3;divf_parameter#(3,2)f1(rst,clk,en,clk3_2);//3分頻,占空比為2/3divf_parameter#(5,1)f2(rst,clk,en,clk5_1);//5分頻,占空比為1/5divf_parameter#(6,3)f3(rst,clk,en,clk6_3);//6分頻,占空比為3/6endmodule上述模塊的仿真波形如圖4-19所示。圖4-19占空比可變的任意分頻從圖4-19可知，上述代碼實現(xiàn)了占空比可變的任意分頻功能。分頻器是十分有用的電路，實際應用中除了需要得到任意占空比的整數(shù)分頻器外，有時還需要小數(shù)分頻器。對于小數(shù)分頻器，則需要更復雜的算法，感興趣的讀者可查閱相關資料。6.程序存儲器ROMROM在數(shù)字系統(tǒng)中用于存放指令或者常數(shù)。下面給出一個ROM實例，該ROM的數(shù)據(jù)寬度為16位，相應地它有4根地址線。將其設計為帶讀使能信號的異步ROM?！纠?-21】參數(shù)型ROM設計。modulerom_nxm(rom_data,rom_addr,clk,rd,load);parameterM=8,N=4;//4根地址線,8位數(shù)據(jù)inputclk,rd;//rd讀使能信號inputload;//用于初始化ROM值的控制信號input[N-1:0]rom_addr;outputreg[M-1:0]rom_data;reg[M-1:0]memory[0:2**N];//4根地址線,8位數(shù)據(jù)的存儲器always@(posedgeload)begin:init//該always塊用于初始化ROM值integeri; for(i=0;i<(2**N);i=i+1) memory[i]=i+1;endalways@(posedgeclk)begin:read//該always塊用于讀取ROM值 if(rd)rom_data=memory[rom_addr];endendmodule利用QuartusⅡ仿真的波形如圖4-20所示。圖4-20ROM仿真程序說明：(1)該程序設置了兩個參數(shù)，M代表該ROM數(shù)據(jù)總線的寬度，N代表了地址線的數(shù)量，即2的N次方是ROM所能包含數(shù)據(jù)的最大個數(shù)。本例描述了一個8位寬，包含16個數(shù)據(jù)的ROM。(2)?ROM的特性是只讀，在使用前必須先裝入數(shù)值，因此本例使用了一個always塊為ROM賦初值。該初值需要根據(jù)實際情況設置，本例的初值設置只是為了演示其功能，沒有實際的用途。(3)波形圖為功能仿真結果，可以看到，當rd信號有效時，可將ROM中已存儲的數(shù)據(jù)讀出到rom_data中。ROM有時也用于設計組合邏輯電路，例如下面的例子可實現(xiàn)3-8線譯碼器的功能。modulerom_38(rom_data,rom_addr,load);//3-8線譯碼器功能parameterM=8,N=3;//3根地址線,8位數(shù)據(jù)inputload;//用于初始化ROM值的控制信號input[N-1:0]rom_addr;outputreg[M-1:0]rom_data;reg[M-1:0]memory[0:2**N];//3根地址線,8位數(shù)據(jù)的存儲器always@(posedgeload)begin:init//該always塊用于初始化ROM值 integeri; for(i=0;i<(2**N);i=i+1) memory[i]=1<<i;endalways@(rom_addr)rom_data=memory[rom_addr];endmodule利用QuartusⅡ對上述設計的仿真結果如圖4-21所示。圖4-21使用ROM實現(xiàn)3-8線譯碼器從以上仿真波形可以看出，該設計實現(xiàn)了3