本文介绍常见的电路——计数器，然后我们由计数器电路讲解到分频电路。
一、计数器
（1）计数器代码
计数器，顾名思义就是在时钟的节拍下进行计数，一个简单的N位计数器的代码如下所示，这个计数器从0计数到2^N - 1（共计数了2^N个数，也就是N位计数器）：
1 module count#(parameter N=8)( 2 input clk, 3 input clear, 4 output[N-1:0] cnt_Q 5 ); 6 reg[N-1:0] cnt; 7 assign cnt_Q = cnt; 8 9 always@(posedge clk)10 if(clear)11 cnt <= 'h0; //同步清 0，高电平有效12 else13 cnt <= cnt+1'b1; //加法计数14 15 endmodule
上述描述的计数器通过 clear 信号清除计数值，然后下一周期开始加 1 计数；当计数器计到能够存储的最大数值时， 例如本例为 8 个 1，即 8'hff 就会自动回到 0，然后开始下一轮计数。
综合得带的电路如下所示：
(2)计数器改进
如果想要实现 0~k 范围内计数，其中k ≠ 2^N ，可以将 always 语句修改为：
always@(posedge clk) if(clear) cnt <= 'h0; //同步清 0，高电平有效 else if(cnt==K) cnt <= 'h0; else cnt <= cnt+1'b1; //减法计数
前面是累加计数，下面是一个既可以递增也能递减，且具备初始值装载和复位的计数器，代码如下所示：
1 module updown_count#(parameter N=8)( 2 input clk, 3 input clear, 4 input load, 5 input up_down, 6 input [N-1:0] preset_D, 7 output[N-1:0] cnt_Q 8 ); 9 reg[N-1:0] cnt;10 assign cnt_Q = cnt;11 12 always@(posedge clk)13 if(clear)14 cnt <= 'h0; //同步清 0，高电平有效15 else if(load)16 cnt <= preset_D; //同步预置17 else if(up_down)18 cnt <= cnt+1; //加法计数19 else20 cnt <= cnt-1; //减法计数21 22 endmodule
二、计数器的用途
（1）基本的计数功能与分频
计数器的基本功能顾名思义就是计数了，用来计数，产生某个信号等等。利用这个功能，可以实现信号的分频，具体会在后面的分频电路中进行描述。
（2）看门狗
计数器其实就可以设计成看门狗。在初始状态时，看门狗电路首先装载一个大数；当状态机或者程序开始运行后，看门狗开始倒计数。如果状态机或程序运行正常，每隔一段时间应发出指令或信号让看门狗重新装载一个大的初始值，并再次开始倒计数。如果看门狗减到 0 就认为程序或状态机没有正常工作，就需要强制整个系统复位。
上面的第二处改进的计数器电路描述就是一个看门狗电路，只要加上 cnt==0 作为看门复位状态即可；而 load 信号则是状态机或软件给出的喂狗动作。
（3）特殊的有限状态机
当状态机要求没有那么严格的时候，这个时候就可以用计数器的计数值当做状态机的状态，计数增加或者减少就是改变状态。
三、分频电路
（1）简单的计数器
计数器实质是对输入的驱动时钟进行计数，所以计数器在某种意义上讲，等同于对时钟进行分频。例如一个最大计数长度为N=2^n(从0计数到N-1)的计数器，也就是寄存器位数位n,那么寄存器最高位的输出为N=2^n分频，次高位为N/2分频...例如下面的代码：
1 module test#(parameter N=3)( 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 7 reg [N-1:0] div_reg ;//分频计数器 8 always @(posedge clk or negedge rst_n) 9 if (rst_n == 1'b0 )10 div_reg <= 0 ;11 else 12 div_reg <= div_reg + 1'b1 ;13 14 assign clk_div = div_reg[N-1] ;15 16 17 endmodule
该代码描述的将一个3位的计数器最高位输出，也就是计数长度为8（计数从0~7）波形如下所示：
可以看到最高位的输出为输入时钟的8分频。
当N不是2的整数次幂时，即N≠2^n时，从0计数到N-1，其最高位作为时钟输出（占空比不一定为 1：1）是输入时钟的1/N，也就是N分频。我们来举个例子，比如最大计数长度为5的计数器,即从0计数到4后又返回0，那么需要定义一个三位的寄存器。寄存器的计数过程为：
000-001-010-011-100-000-001-010-011-100-000-001-010-011-100-000-001-010-011-100······
我们取最高位，得到的信号变化就是：
0-0-0-0-1-0-0-0-0-0-1-0-0-0-0-1-0-0-0-0-1···
代码如下所示：
1 module test#(parameter N=3)( 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 7 reg [N-1:0] div_reg ;//分频计数器 8 always @(posedge clk or negedge rst_n) 9 if (rst_n == 1'b0 )10 div_reg <= 0 ;11 else if(div_reg == 3'd4)//从0计数到4，然后返回到0,5分频12 div_reg <= 0;13 else14 div_reg <= div_reg + 1'b1 ;15 16 assign clk_div = div_reg[N-1] ;17 18 19 endmodule
仿真波形如下所示：
由此可以看到，每一个分频后的时钟周期=5倍原来的时钟周期，因此是5分频。
那么这个情况是不是也可以包含第一种情况呢？我们那设置为8分频看看，即前面的3'd4改成3'd7，得到的仿真波形如下所示：
可以看到，计数器的最高位输出也是输入频率的1/N。
因此我们得到结论：一个最大计数长度为N(从0计数到N-1)的计数器，其最高位的输出，是输入频率的N分频。
通常 ASIC 和 FPGA 中，时钟都是全局信号，都需要通过 PLL 处理才能使用，但某些简易场合，采用计数器输出时钟也是能够使用的，只是需要注意时序约束。
（2）偶数倍分频（占空比50%）
偶数分频，也就是2分频、4分频、6分频...这个还是比较简单的，N（N当然是2的倍数）分频，那么计数到N/2-1，然后时钟翻转：
例如N=6时，代码如下所示：
1 module test#(parameter N=6)( 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 reg div_reg ; 7 reg [N-1:0] div_cnt ;//分频计数器 8 always @(posedge clk or negedge rst_n) 9 if (rst_n == 1'b0 )begin10 div_cnt <= 0 ;11 div_reg <= 0 ;12 end 13 else if(div_cnt == (N/2 - 1))begin14 div_cnt <= 0;15 div_reg <= ~div_reg ;16 end 17 else18 div_cnt <= div_cnt + 1'b1 ;19 20 assign clk_div = div_reg ;
仿真波形如下所示：
当N=2的仿真波形如下所示：
（3）奇数倍分频
①占空比接近50%
对于占空比不是50%的计数分频，我们可以直接用上面的计数器方法，这里就不说了，我们介绍其他接近50%的占空比的方法，比如下面使用的状态机分频：
上图的状态机除了用一般的状态机设计方式之外，我们也可以用简单的计数器实现，这种方法如下所示：
假设时钟分频是N,则设置一个计数器，计数长度是N(即从0计数到N-1)，然后在计数器为计数到(N-1)/2的时候，翻转一下分频时钟信号；在计数器计数到为N-1的时候，再翻转一下时钟。
代码如下所示：
1 module test#(parameter N=3)(//N分频，这里是3分频 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 7 reg [N-1:0] div_cnt ;//分频计数器 8 reg div_reg ; 9 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin10 if (rst_n == 1'b0 )begin11 div_cnt <= 0 ;12 div_reg <= 1 ;13 end else if (div_cnt == (N-1)/2)begin//计数到(N-1)/2，进行翻转和继续计数14 div_reg <= ~div_reg;15 div_cnt <= div_cnt + 1'b1 ;16 end else if ( div_cnt == (N-1) )begin//计数到N-1，进行清零和翻转17 div_cnt <= 0 ;18 div_reg <= ~div_reg;19 end else 20 div_cnt <= div_cnt + 1'b1 ;21 22 end 23 assign clk_div = (N == 1)?clk:div_reg ;//注意这里24 25 26 endmodule
代码中我们需要注意，在N= 1的情况，也就是不分频的情况。仿真电路如下图所示：
3分频，N = 3：
5分频，N= 5 ：
不分频，即N=1的仿真如下所示：
②占空比50%
产生具有50%占空比的奇数分频时钟的算法如下所示，假设N分频（N是计数）：
设置一个计数长度为N的上升沿计数器，和一个信号寄存器;信号寄存器在上升沿计数器为（N-1)/2的时候进行翻转，然后再在计数到N-1的时候进行翻转（这里相当于得到一个N分频信号A）。
再设置一个计数长度为N的下降沿计数器，和另一个信号寄存器;信号寄存器在下降沿计数器为（N-1)/2的时候进行翻转，然后再在计数到N-1的时候进行翻转（这里相当于得到一个N分频信号B）。
将A和B相或就可以得到占空比50%的奇数分频信号；代码实现如下：
1 module test#(parameter N=5)(//N分频 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 7 reg sig_r ;//定义一个上升沿翻转的信号 8 reg sig_f ;//定义一个下降沿翻转的信号 9 reg [N-1:0] cnt_r;//上升沿计数器10 reg [N-1:0] cnt_f;//下降沿计数器11 12 wire clk_f ;13 assign clk_f = ~clk ;//用来触发下降沿计数器的时钟14 //由于同时使用上升沿和下降沿触发器不好，因此我们为同一边沿，都使用上升沿触发15 //只不过是将时钟进行反向16 17 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin//上升沿计数18 if(rst_n == 1'b0)begin19 sig_r <= 0 ;20 cnt_r <= 0 ;21 end else if( cnt_r == (N-1)/2 )begin22 sig_r <= ~sig_r ;23 cnt_r <= cnt_r + 1 ;24 end else if ( cnt_r == (N-1) )begin25 sig_r <= ~sig_r ;26 cnt_r <= 0 ;27 end else 28 cnt_r <= cnt_r + 1 ;29 end 30 31 always @(posedge clk_f or negedge rst_n)begin//下降沿计数32 if(rst_n == 1'b0)begin33 sig_f <= 0 ;34 cnt_f <= 0 ;35 end else if( cnt_f == (N-1)/2 )begin36 sig_f <= ~sig_f ;37 cnt_f <= cnt_f + 1 ;38 end else if ( cnt_f == (N-1) )begin39 sig_f <= ~sig_f ;40 cnt_f <= 0 ;41 end else 42 cnt_f <= cnt_f + 1 ;43 end 44 45 assign clk_div = sig_f || sig_r ;46 47 endmodule
仿真波形如下所示：
3分频：
5分频：
（4）任意整数倍分频(接近50%)
在前面中，我们知道了一个最大计数长度为N(从0计数到N-1)的计数器，其最高位的输出，是输入频率的N分频，因此最简单的任意分频电路就是设计一个计数器，然后最高位输出就是分频的频率了。虽然这这种方法很简单，但是很显然，这种方法的占空比是很糟糕的。因此我们要用其他的方法，也就是用其他的组合方式。
①占空比接近50%任意整数分频
这种方法是取自偶数分频和奇数分频里面的接近50%占空比，实现的代码如下所示：
1 module test #( parameter cfactor= 5)( 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 reg clk_loc; 7 //reg [15:0] cnt;//allowed maximum clock division factor is 65536 8 reg [7:0] cnt;//allowed maximum clock division factor is 256 9 10 assign clk_div = (cfactor==1)? clk : clk_loc;11 //assign clk_div = ((rst==1) || (cfactor==1))? clk : clk_loc;12 13 always@(posedge clk or negedge rst_n)14 if(!rst_n)begin15 cnt <= 'd0;16 clk_loc = 1;17 end18 else begin19 cnt <= cnt + 1'b1;20 if(cnt==cfactor/2-1)21 clk_loc = 0;22 else if(cnt==cfactor-1) begin23 cnt <= 'd0;24 clk_loc = 1;25 end26 end27 28 endmodule
2分频的仿真图，如下所示：
5分频的仿真波形如下所示：
②占空比50%的任意整数分频（重点）
这种方法是取自偶数分频和奇数分频都是50%占空比的组合，代码如下所示：
1 module test#(parameter N=1)(//N分频 2 input clk, 3 input rst_n, 4 output clk_div 5 ); 6 7 //奇数分频 8 reg sig_r ;//定义一个上升沿翻转的信号 9 reg sig_f ;//定义一个下降沿翻转的信号10 reg [N-1:0] cnt_r;//上升沿计数器11 reg [N-1:0] cnt_f;//下降沿计数器12 13 wire clk_f ;14 assign clk_f = ~clk ;//用来触发下降沿计数器的时钟15 //由于同时使用上升沿和下降沿触发器不好，因此我们为同一边沿，都使用上升沿触发16 //只不过是将时钟进行反向17 18 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin//上升沿计数19 if(rst_n == 1'b0)begin20 sig_r <= 0 ;21 cnt_r <= 0 ;22 end 23 else begin24 cnt_r <= cnt_r + 1 ;25 if( cnt_r == (N-1)/2 )begin26 sig_r <= ~sig_r ;27 end else if ( cnt_r == (N-1) )begin28 sig_r <= ~sig_r ;29 cnt_r <= 0 ;30 end 31 end 32 end 33 34 always @(posedge clk_f or negedge rst_n)begin//下降沿计数35 if(rst_n == 1'b0)begin36 sig_f <= 0 ;37 cnt_f <= 0 ;38 end 39 else begin40 cnt_f <= cnt_f + 1 ;41 if( cnt_f == (N-1)/2 )begin42 sig_f <= ~sig_f ;43 end else if ( cnt_f == (N-1) )begin44 sig_f <= ~sig_f ;45 cnt_f <= 0 ;46 end 47 end 48 end 49 50 //偶数分频51 reg div_reg ;52 reg [N-1:0] div_cnt ;//分频计数器53 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin54 if (rst_n == 1'b0 )begin55 div_cnt <= 0 ;56 div_reg <= 0 ;57 end 58 else begin59 div_cnt <= div_cnt + 1'b1 ;60 if(div_cnt == (N/2 - 1))begin61 div_cnt <= 0;62 div_reg <= ~div_reg ;63 end 64 end65 end 66 assign clk_div = (N == 1)?clk:67 ( N%2 == 1)?(sig_f || sig_r ): div_reg;//这里用来输出分频值。对2的取余操作是综合的68 69 endmodule
仿真波形如下所示：
5分频：
6分频：
总结：本文介绍了计数器及其功能，主要是介绍了作为分频器的功能。对于分频器，如下所示：
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