09-寄存器

1.寄存器

组合逻辑存在一个最大的缺点就是存在竞争与冒险,系统会产生不定态;使用时序逻辑电路就会极大的改善这种情况
寄存器具有存储功能,一般是由D触发器构成,由时钟脉冲控制,每个D触发器能够存储一位二进制码
D触发器工作原理:在一个脉冲信号(一般为晶振产生的时钟脉冲)上升沿或者是下降沿作用下,将信号从输入端D送到输出端Q,如果时钟脉冲的边沿信号未出现,即使输入信号改变,输出信号仍保持原来的值,且寄存器拥有复位清零功能,其复位又分为同步复位和异步复位.

2.FPGA设计

• KEY1控制LED6,按键按下,LED灯点亮;按键松开,LED灯熄灭
  

2.1 框图和波形图

• 时钟和复位信号
• n-表示低电平有效
  
  

2.2 同步复位的D触发器和异步复位的D触发器

同步复位

• 同步是工作时钟同步复位的意思,当时钟的上升沿或者下降沿到来时,检测到按键的复位操作才是有效的
  
  同步复位理解:复位信号与时钟上升沿不同步,此时,输出不会随复位信号的变化立即变化,直到时钟上升沿采样到复位信号,才发生变化

异步复位

• 异步复位就是工作时钟不同步的意思,复位信号不关心时钟信号,当寄存器收到复位信号的时候,立即执行复位,不用管是不是时钟上升沿
  

时序逻辑过滤毛刺

使用按键控制LED灯,按键输入的信号输入给输出信号,假如在某个时钟周期内输入信号产生了毛刺:
*对于组合逻辑,输出也会有毛刺

• 对于时序逻辑电路,寄存器在时钟上升沿进行采样,采样之后,一个周期内都维持一样的值,两个上升沿之间的毛刺现象都可以被过滤掉,提高电路的可靠性
  

时序逻辑延迟打拍

• 组合逻辑电路,时钟和数据对齐,时钟上升沿采集到的是时钟上升沿对应的值
• 时序逻辑电路,时钟和数据对齐,默认采集到的是上升沿对应数据前一时刻的值
  

2.3 RTL

• 时钟,晶振输入,50MHz
• 复位信号,低电平有效,由板卡的复位按键输入

module filp_flop(
  input wire sys_clk,
  input wire sys_rst_n,
  input wire key_in,
  
  output reg led_out
);
    
  // 同步复位
  always@(posedge sys_clk)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
      let_out <= 1'b0;
    else 
      let_out <= key_in;

endmodule

• 创建quartus项目,添加文件,进行全编译
  

module filp_flop(
  input wire sys_clk,
  input wire sys_rst_n,
  input wire key_in,
  
  output reg led_out
);
    
  // 异步复位
  always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
      let_out <= 1'b0;
    else 
      let_out <= key_in;

endmodule

推荐使用异步复位

2.4 Testbench

// 同步复位
`timescale 1ns/1ns

module tb_flip_flop();
  reg sys_clk;
  reg sys_rst_n;
  reg key_in;

  initial begin
    sys_clk <= 1'b1;
    sys_rst_n <= 1'b0;
    key_in <= 1'b0;
    #20;
    sys_rst_n <=1'b1;
    #210;
    sys_rst_n <=1'b0;
    #40;
    sys_rst_n <=1'b1;
  end

  initial begin
    $timeformat(-9,0,"ns",6);
    $monitor("@time:%t:key_in=%b,led_out=%b",$time,key_in,led_out);
  end

  // 模拟系统时钟
  always begin
    #10;
    sys_clk = ~sys_clk;
  end

  // 时钟周期是20ns,保证每次数据变化小于时钟周期,避免差生毛刺
  always #20 key_in <= {$random} % 2;
  
  flip_flop flip_flop_inst(
    .sys_clk (sys_clk),
    .sys_rst_n (sys_rst_n),
    .key_in (key_in),
    .led_out (led_out)
  );
endmodule  

• 加载仿真文件,进行仿真设置
  同步复位
  
  异步复位