FPGA开发——D触发器的设计

电子小白的每一天2024-07-29 15:15

1、概述

锁存器和触发器有时组合在一起，因为它们都可以在其输出上存储一位（1或0）。与锁存器相比，触发器是需要时钟信号（Clk）的同步电路。D 触发器仅在时钟从0 到 1（上升沿）或 1 到 0（下降沿）时存储来自 D 输入的新值。我们在FGPA开发中对D触发器进行设计，不同考虑其内部结构，只要根据需求实现当时钟信号上升沿或者下降沿到来时，输出的值等于输入D的值就行。

2、测试文件的编写

因为D触发器设计非常简单，这里就不多做介绍，直接上代码，新建一个d_ff.v文件（这里建立的.v文件必须和模块名一致，否则会报错）：

cpp 复制代码

//异步复位的D触发器
module d_ff(
  input clk,
  input rst_n,
  input d   ,
  output reg q
);

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin 
    if(!rst_n)
      q<=1'b0;
    else 
      q<=d;
end 
endmodule

这里开始用到了时序电路，所以在后面的仿真中我们需要注意时序电路慢一拍输出的特性。

3、测试文件的编写

新建一个d_ff_tb.v文件，如下：

cpp 复制代码

//定义时间尺度
`timescale 1ns/1ns
module d_ff_tb;

reg clk;
reg rst_n;
reg d;
wire q;

d_ff dff(
    .clk   (clk),
    .rst_n (rst_n),
    .d     (d),
    .q     (q)
);
//时钟
parameter CLK_CYC = 20;
initial clk=1'b0;
always  #(CLK_CYC/2) clk=~clk;

//复位
initial begin
    rst_n = 1'b0;
    #(CLK_CYC*2);
    rst_n = 1'b1;
end 

//激励
initial begin
    d=1'b0;
    #(CLK_CYC*3);
    #5;
    repeat (10)begin
        d=$random;
        #(CLK_CYC*1);
    end 
end 
endmodule

这里在激励信号产生的代码中在延时3个周期#（CLK_CLY*3）之后再延时5ns------#5的目的是错开时钟上升沿，模拟实际输入，便于观察慢一拍输出的特性。

4、波形图仿真

在modelsim中进行波形仿真结果如下：

在波形图中我们可以看到当复位信号和时钟上升沿信号错开时，输出也是慢一拍输出，最大程度的还原了真实情况的输出，当复位信号拉高之后，时钟上升沿到来Q的值立马发生变化变成D的值，一致保持当前状态一致持续到下一个时钟信号上升沿。