Verilog基础知识3（门控时钟及FPGA时钟使能处理）

需求说明：Verilog设计

内容：第一部分门控时钟

第二部分门控时钟和时钟使能的理解（附代码）

来自：时间的诗

第一部分门控时钟

原文：http://www.cnblogs.com/qiweiwang/archive/2011/03/17/1987060.html

门控时钟的简介：

组合逻辑中多用门控时钟，一般驱动门控时钟的逻辑都是只包含一个门，如果有其他的附加逻辑，就容易因竞争而产生不希望的毛刺。门控时钟通过一个时能信号控制时钟的开关。当系统不工作时可以关闭时钟，整个系统处于非激活状态，这样就能够在某种程度上降低系统功耗。

　　然而，使用门控时钟并不符合同步设计的思想，它可能会影响设计的实现和验证。单纯从功能上看，使用使能时钟替代门控时钟是一个不错的选择；但是使能时钟在使能信号关闭时，时钟信号仍然在工作，它无法像门控时钟那样降低系统的功耗。

　　Altera的解决方案：

　　对于上升沿有效的系统时钟clk，他的下降沿先把门控时钟打一拍，然后再用这个使能信号和系统时钟clk相与后作为后续电路的门控时钟。

　　这样的门控时钟电路很好的解决了组合逻辑常见的一些问题。它避免了毛刺的出现，同时也有效的抑制了亚稳态可能带来的危害。但是从另一个方面来说，如果这个设计的系统时钟占空比不是很稳定，或者输出的使能信号(enable)与时钟信号(clk)的逻辑过于复杂，那么它也会带来一些功能和时序上的问题。总得来说，只要设计者控制好这个设计中时钟占空比和门控逻辑复杂度，他还是比下面这个简单的门控时钟电路方案可行。

第二部分 门控时钟和时钟使能的理解（附代码）

原文：http://www.eefocus.com/chudonganjin/blog/11-08/229940_5b96c.html

门控时钟

时钟使能电路是同步设计的重要基本电路，在很多设计中，虽然内部不同模块的处理速度不同，但是由于这些时钟是同源的，可以将它们转化为单一的时钟电路处理。在FPGA的设计中，分频时钟和源时钟的skew不容易控制，难以保证分频时钟和源时钟同相。故此推荐采用使用时钟使能的方法，通过使用时钟使能可以避免时钟“满天飞”的情况，进而避免了不必要的亚稳态发生，在降低设计复杂度的同时也提高了设计的可靠性。

门控时钟 Verilog示例代码：

input wr_n; //写使能信号，低有效
input cs_n; //片选信号，低有效
input[7:0] db; //输入数据总线
output db_r; //锁存输出
reg db_r; //输入数据寄存器
wire d_clk; //门控时钟信号
assign d_clk = wr_n || cs_n;
always @ (posedge d_clk) //门控时钟上升沿
db_r <= db; //锁存输入数据

RTL Viewer:

组合逻辑中多用门控时钟，一般驱动门控时钟的逻辑都是只包含一个与门（或门）。如果有其它的附加逻辑，容易因竞争产生不希望的毛刺。

使能时钟

Verilog示例代码：

input clk; //50MHz时钟信号
input wr_n; //写使能信号，低有效
input cs_n; //片选信号，低有效
input[7:0] db; //数据总线
output db_r;
reg db_r; //输入数据寄存器
wire en; //使能信号
assign en = ~wr_n && ~cs_n;
always @ (posedge clk) //全局时钟上升沿
if(en) //使能锁存输入
db_r <= db; //锁存输入数据

RTL Viewer:

使能时钟这要是用于时序逻辑中，比门控时钟要来的稳定。

上面只是一个举例，实际上它们实现的功能上还是有一点差别的。门控时钟一例中是能够比较准确的在wr_n的上升沿锁存数据的。而使能时钟一例中在wr_n有效期间的每个时钟周期都会锁存输入数据，最后写入结束后锁存寄存器里的数据是wr_n上升前的0-T(T=1/clk)时间内锁存的数据。因为是个例子，也就不详细说，具体情况具体分析。

在某系统中，前级数据输入位宽为8，而后级的数据输出位宽32，我们需要将8bit的数据转换成32bit的数据，因此后级处理的时钟频率为前级的1/4，若不使用时钟时能，则就要将前级时钟进行4分频来作为后级处理的时钟，这种设计方法会引入新的时钟域，为了避免这种情况，我们采用了时钟时能的方法来减少设计的复杂度。

module gray
(
input clk,
input rst_n,
input [7:0] data_in,
output reg [31:0] data_out,
output reg clk1x_en
);

reg [1:0] cnt;
reg [31:0] shift_reg;

always @ (posedge clk,negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
cnt <= 2'b0;
else
cnt <= cnt +1'b1;
end

always @ (posedge clk,negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
clk1x_en <= 1'b0;
else if(cnt ==2'b01)
clk1x_en <= 1'b1;
else
clk1x_en <= 1'b0;
end

always @ (posedge clk,negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
shift_reg <= 32'b0;
else
shift_reg <= {shift_reg[23:0],data_in};
end

always @ (posedge clk,negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
data_out<= 32'b0;
else if(clk1x_en==1'b1)//仅在clk1x_en为1时才将shift_reg的值赋给data_out
data_out<=shift_reg;
end

endmodule

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