FPGA学习篇——Verilog学习之寄存器的实现

news2025/3/30 17:52:25

1 寄存器理论

这里在常见的寄存器种加了一个复位信号sys_rst_n。（_n后缀表示复位信号低电平有效，无这个后缀的则表示高电平有效）

这里规定在时钟的上升沿有效，只有当时钟的上升沿来临时，输出out 才会改变，且= 输入Key_in(上升沿前一时刻)，其余时刻，输出out保持。

而复位信号什么时候有用呢，顾名思义，复位信号就是让输出清零的操作。

复位分为同步复位和异步复位：

（1）同步复位：即复位信号和时钟信号同步，只有当复位信号有效且时钟的上升沿时两个条件均满足，输出out才会清零；同步复位信号释放时，同样，只有当复位信号释放且时钟的上升沿时两个条件均满足，输出out才会不受复位信号控制。

（2）异步复位：即复位时，复位信号与时钟信号无关，只需满足复位信号有效输出out就会清零；注意异步信号释放时，采用同步释放方式，即与同步复位信号释放一样，只有当复位信号释放且时钟的上升沿时两个条件均满足，输出out才会不受复位信号控制（这是为了克服复位信号释放的随机性，可能导致时序违规，倘若复位释放时恰恰在时钟有效沿附近，就很容易使电路处于亚稳态，详细可查阅资料）。

2 代码理解：

这里跟着野火学了一下代码~

2.1 主文件

异步和同步选其中一种。

module flip_flop
(
    input key_in, sys_rst_n, sys_clk,
    output reg Output

);

//异步
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        Output <= 1'b0;
    else
        Output <= key_in;  

endmodule

//同步
always@(posedge sys_clk)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        Output <= 1'b0;
    else
        Output <= key_in;  

endmodule

2.2 仿真文件

`timescale  1ns/1ns

module tb_flip_flop();

reg t_key_in, t_sys_rst_n, t_sys_clk;
wire t_Output;

initial begin
    t_sys_clk = 1'b0;
    t_key_in = 1'b0;
    t_sys_rst_n = 1'b0;
    #20
    t_sys_rst_n = 1'b1;
    #200
    t_sys_rst_n = 1'b0;
    #40
    t_sys_rst_n = 1'b1;
    
end

always #10 t_sys_clk = ~t_sys_clk;
always #20 t_key_in <= {$random} % 2;

initial begin
    $timeformat(-9,0,"ns",10);
    $monitor("@time %t,key_in = %b,sys_clk = %b,sys_rst_n = %b,Output = %b",$time,t_key_in,t_sys_clk,t_sys_rst_n,t_Output);
end

flip_flop u_flip_flop
(
    .sys_clk(t_sys_clk),
    .sys_rst_n(t_sys_rst_n),
    .key_in(t_key_in),
    .Output(t_Output)

);

endmodule

这里解释一下：

（1）时钟周期为20ns：always #10 t_sys_clk = ~t_sys_clk;使得每10ns取反一次，故周期为20ns。

（2）初始赋值时，为什么延迟200ns后让复位信号有效，这个延迟是有讲究的，为了更好的看到同步复位和异步复位的效果，就要尽量避免复位信号有效与时钟上升沿重合。

这里时钟周期为20ns，初始时刻时钟为0开始，复位信号为0开始，20ns后，复位信号为1，此时的时钟为1，且为下降沿，再过了200ns后，复位信号为0，此时时钟为1，且为下降沿，再过40ns，复位信号为1，此时时钟为1，也刚好为下降沿。（如果把延后200ns改为延后210ns（前延后20ns不变），则在230ns处，复位信号为0，时钟信号为0，且为上升沿，则不易看实验结果了）