FPGA之触发器

本文深入解析了D触发器的工作原理及应用,介绍了其关键组成部分,包括时钟信号、复位、置位、使能和数据输入输出端口。通过代码示例展示了D触发器在同步与异步复位置位条件下的行为,以及如何使用Verilog实现。

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触发器是最基本的时序元件,其中D触发器是应用最广范的。

边沿型D触发器包含时钟信号端口(图中包含三角型标记的端口)、复位端口CLR、置为端口PRE、使能端口ENA、输入数据端口D、输出端口Q。

D触发器执行过程:首先,判断复位端口是否连接信号,如果连接信号,在编写代码时要对电路进行复位操作,复位结果输出置0;其次,判断置位端口是否连接信号,如果连接信号,在编写代码时,要进行置位操作;最后,判断使能端口是否连接信号,如果有,根据情况进行使能。如果为真,上升或下降沿到来时,进行数据传输。

module DFF(d,clk,q)
   input  d,clk;
   output q;
   reg    q;
always @(posedge clk)//上升沿
       q=d;
endmodule

上述是经典的D触发器程序,遇见这样的always块就是D触发器的应用。加上复位、置位、使能的话,用if语句。

异步复位与置位:触发器的复位和置位与时钟信号无关。

always@(posedge clk or negedge rst or posedge set)
  begin
      if(~rst)
          q=0;
      else if(set)
          q=1;
      else
          q=d;
   end

同步复位与置位:指在硬件电路中,复位与置位信号只有在时钟上升沿或下降沿到来的时候才进行复位与置位操作。其他时间无效。

always@(posedge clk )
  begin
      if(~rst)
          q=0;
      else if(set)
          q=1;
      else
          q=d;
   end

D触发器是1位存储器,一组D触发器集合在一起存储多个二进制位,就是寄存器。

### FPGA中FF触发器的设计与实现 在FPGA开发过程中,触发器(Flip-Flop, FF)是一种重要的同步逻辑单元。它能够根据时钟信号的变化,在特定时刻捕获并保存数据位的状态。以下是关于FPGA中D触发器设计的相关知识点。 #### 1. 基本概念 触发器是同步电路的核心组件之一,用于存储单比特的数据。其中,D触发器是最常用的类型之一。当检测到时钟信号的边沿变化(通常是上升沿或下降沿),D触发器会将其输入端口 `D` 的值传递至输出端口 `Q` 并保持该状态直到下一次有效时钟边沿的到来[^1]。 #### 2. VHDL描述方式 为了在FPGA中实现D触发器的功能,可以采用硬件描述语言(HDL)如VHDL编写相应的模块定义。下面是一个简单的基于VHDL的D触发器代码示例: ```vhdl library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity d_flip_flop is Port ( clk : in STD_LOGIC; -- Clock signal reset : in STD_LOGIC; -- Asynchronous active-high reset d : in STD_LOGIC; -- Data input q : out STD_LOGIC); -- Output data end d_flip_flop; architecture Behavioral of d_flip_flop is begin process(clk, reset) begin if reset = '1' then q <= '0'; -- Reset output to low state when reset asserted elsif rising_edge(clk) then q <= d; -- Capture the value at D on clock's positive edge end if; end process; end Behavioral; ``` 此代码片段展示了如何利用过程语句以及敏感列表机制完成一个具有异步高电平复位功能的标准正边缘触发型D触发器实体声明及其行为级架构体说明[^2]。 #### 3. 设计注意事项 - **时序约束**: 在实际项目应用当中,必须严格遵循目标器件厂商所提供的具体时间参数要求设置合适的综合工具选项以满足建立时间和保持时间条件。 - **功耗优化**: 对于大规模集成电路而言,降低动态功率消耗是非常必要的;可以通过减少切换活动频率或者选用低泄漏工艺节点等方式达成目的。 - **测试验证**: 完成初步编码之后还需要借助仿真软件进行全面功能性检验确保预期效果得以体现出来。 #### 4. 应用场景举例 除了作为基本的记忆元件之外,多个串联起来还可以构成移位寄存器用来延迟数字序列传输路径上的信息流;另外配合计数控制逻辑则可构建各种形式的分频网络等等。
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