三分频电路设计

偶数分频

通常情况下，偶数倍分频器，可以借助计数器实现。

二分频

最简单的，二分频时，直接把输入时钟加到D触发器上，输出端Q取反后，接回输入D端，就可以了。参考代码如下。

module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
assign o_clk_div = ro_clk_div;
always @(posedge i_clk) begin
    ro_clk_div <= ~ro_clk_div;
end
endmodule

更大的2N偶数

其余2N倍数分频时，就需要借助计数器。举例，4分频时，1个输出时钟周期内，有4个输入时钟，按照50%的占空比算，输出时钟需要在4/2=2个时钟周期处翻转。

可以产生一个 0 1 0 1 的循环计数器，计数器到1，翻转输出即可，参考代码。

module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0;
assign o_clk_div = ro_clk_div;
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2-1)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2-1)
        ro_clk_div <= ~ro_clk_div;
end
endmodule

更具一般性的，4分频计数两个数，2N分频计数2N>>1个数，又由于计数器从0开始，则有：(2N>>1)-1 通式

module clk_div #(
    parameter P_DIV_NUM = 6
)
(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0;
assign o_clk_div = ro_clk_div;
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == (P_DIV_NUM>>1)-1)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == (P_DIV_NUM>>1)-1)
        ro_clk_div <= ~ro_clk_div;
end
endmodule

至此，偶数倍分频都实现了。

奇数分频

三分频

三分频是面试、笔试高频问题。

如果只考虑信号在上升沿发生变化，3分频会有几种情况呢？

高电平:低电平
1 ：2
2：1
两种而已，图示如下。

这种占空比非50%的是比较好实现的，只需要一个0~2的循环计数器即可

//1:2
module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0 ;
assign o_clk_div = ro_clk_div;
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 0 || r_cnt==1)
        ro_clk_div <= ~ro_clk_div;
end
endmodule

//2:1
module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0 ;
assign o_clk_div = ro_clk_div;
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end
always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 0 || r_cnt==2)
        ro_clk_div <= ~ro_clk_div;
end
endmodule

如果是占空比50%的三分频呢？图示如下。一定会用到下降沿。
借鉴上面非50%占空比的思路，还是用计数器实现。

考虑两个时钟 或 运算，得到输出三分频时钟。
参考代码:

module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0 ;

reg clk1 = 0 , clk2 = 0 ;

assign o_clk_div = clk1 | clk2;

always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end

always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 0 || r_cnt == 1)
        clk1 <= !clk1;
end

always @(negedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 1 || r_cnt == 2)
        clk2 <= !clk2;
end
endmodule

这里clk2的变化是根据下降沿来的，数据稳定，建立时间、保持时间都能满足，所以在时钟沿立即就能变化，不会出现打一拍的现象。
而clk1的变化会有打一拍的现象。

另一种低翻转率的三分频。

module clk_div(
    input       i_clk       ,
    output      o_clk_div   
);
reg ro_clk_div = 0 ;
reg [1:0] r_cnt = 0 ;

reg clk1 = 0 , clk2 = 0 ;

assign o_clk_div = clk1 ^ !clk2;

always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2)
        r_cnt <= 0;
    else
        r_cnt <= r_cnt + 1;
end

always @(posedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 2)
        clk1 <= !clk1;
end

always @(negedge i_clk) begin
    if(r_cnt == 1)
        clk2 <= !clk2;
end
endmodule