潘文明至簡設(shè)計(jì)法系列教程】D觸發(fā)器、波形、代碼

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在學(xué)習(xí)verilog之前，我們先學(xué)習(xí)一下D觸發(fā)器以及它的代碼。

FPGA的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是數(shù)字電路，因此很多同學(xué)會(huì)認(rèn)為我們要先學(xué)好數(shù)字電路之后，才學(xué)習(xí)FPGA。但是，數(shù)字電路教材的內(nèi)容很多.例如：JK觸發(fā)器、RS觸發(fā)器、真值表、卡諾圖等。但是，這里的很多內(nèi)容其實(shí)已經(jīng)過時(shí)了。此外，對(duì)于FPGA的學(xué)習(xí)來講，我們只用到了其中很少很少的一部分內(nèi)容。如果沒有數(shù)字電路的基礎(chǔ)，我們建議就看一部分，知道D觸發(fā)器就夠了。

那么D觸發(fā)器是什么樣子的呢?

這個(gè)就是D觸發(fā)器的示意圖。其中，clk為時(shí)鐘，rst_n為復(fù)位，d為輸入，q為輸出。這個(gè)功能非常簡單，復(fù)位有效的時(shí)候，這個(gè)q的值你可以認(rèn)為是0。如果復(fù)位無效的時(shí)候，那么在時(shí)鐘上升沿的時(shí)候，就把d的值給了q。就是這么簡單，記住這個(gè)動(dòng)作，先有時(shí)鐘上升沿，再有把d的值給了q。這就意味著，時(shí)鐘上升沿的時(shí)候q的值還是沒變的。只有時(shí)鐘上升沿之后，q的值才變化。這是一個(gè)很重要的概念，也就是說先有時(shí)鐘上升沿才有q的變化。如果下一個(gè)時(shí)鐘上升沿沒有到來，那么q的值就保持不變。因此，q的值是在時(shí)鐘上升沿之后一點(diǎn)點(diǎn)變化。這就是D觸發(fā)器，我們所有的FPGA電路都是基于這個(gè)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。就是這么簡單，諸如JK觸發(fā)器、RS觸發(fā)器之類完全不需用到。我們就用最簡單的結(jié)果來進(jìn)行設(shè)計(jì)。有些同學(xué)會(huì)問為什么如此簡單就足以進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？其實(shí)我們要做一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，一定是從一個(gè)最簡單的結(jié)構(gòu)搭建起來的，而不會(huì)是一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此我們FPGA電路里面就是利用D觸發(fā)器的穩(wěn)定性，把它搭建起來的。

那么D觸發(fā)器所對(duì)應(yīng)的波形圖是怎么樣的呢?

這個(gè)是波形圖，你可以看一看q，它都是在時(shí)鐘上升沿之后變化的，在第2個(gè)時(shí)鐘上升沿，看到d的值為0，那么q就輸出0，q的值就保持不變了直到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿的到來。下一個(gè)時(shí)鐘上升沿d的值為1，那么q就輸出1，如此類推。這就是我們d觸發(fā)器的功能，非常非常地簡單。

那么這個(gè)D觸發(fā)器在FPGA里面用verilog代碼怎么描述呢?

其實(shí)就是這樣的代碼，可以看出來，這個(gè)代碼跟這個(gè)D觸發(fā)器是完全一樣的，描述的就是D觸發(fā)器。怎么講，可以分析一下這個(gè)代碼：

1····總是（always）在時(shí)鐘（clk）上升沿（posedge）的時(shí)候或者下降沿（negedge）復(fù)位（rst_n）的時(shí)候執(zhí)行2~8的代碼，如果不滿足則q的值不變。

2····如果是復(fù)位就執(zhí)行3的代碼；

3····q就等于0；

5····如果不是復(fù)位，而是時(shí)鐘上升沿就執(zhí)行6的代碼；

6····將d的值給了q；

這個(gè)代碼描述的就是一個(gè)D觸發(fā)器，一個(gè)always就生成了一個(gè)D觸發(fā)器。你可以認(rèn)為D觸發(fā)器就是我們電路上的一個(gè)元件。

總結(jié)要點(diǎn)：

1. q的值只有在時(shí)鐘上升沿才變化。

2. 時(shí)鐘上升沿時(shí)，將d的值賦給q。即先有上升沿，才有信號(hào)變化。

為什么強(qiáng)調(diào)先有上升沿，才有信號(hào)變化呢？有什么用呢？例如：

明德?lián)P的波形，默認(rèn)的情況下都是同步信號(hào)，這意味著en和dout都是由D觸發(fā)器產(chǎn)生的。因此信號(hào)的變化，都是在時(shí)鐘上升沿之后才開始的，en也是在時(shí)鐘上升沿之后一點(diǎn)點(diǎn)才變化的；在2的上升沿這個(gè)點(diǎn)上看到en的值是0的，因?yàn)閑n還沒變化；而在3的上升沿這個(gè)點(diǎn)上看到en的值是1，dout的值是0；最后，在10的上升沿這個(gè)點(diǎn)上看到dout的值是1。

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