基于FPGA的數(shù)字電路實驗：時序電路之觸發(fā)器

時間的重要性不言而喻，加上時間這個維度就如同X-Y的平面加上了一個Z軸，如同打開了一個新的世界。所以今天我們就要來聊聊時序電路。

在時序電路中，電路任何時刻的穩(wěn)定狀態(tài)輸出不僅取決于當前的輸入，還與前一時刻輸入形成的狀態(tài)有關。是不是有點繞？這樣，下次當你和對象吵架時，她把以前各種舊賬翻出來一起算的時候，你別急著還嘴，趕緊趁機溫習一下時序電路的概念，也許你想著想著就笑了。

總之……時序電路是有記憶功能的，因此可以設計成儲存電路用來保存信息。常用的存儲電路有兩類：一類采用電平觸發(fā)，我們稱為鎖存器（Latch）；另一類通過邊沿信號觸發(fā)，也就是觸發(fā)器（Flip-flop）。中文譯法經(jīng)常有一種不明覺厲的感覺有木有。

事實上，觸發(fā)器的工作原理并不復雜。首先我們來看圖1。

圖1 D觸發(fā)器框圖和內(nèi)部門電路結構

圖1所示的是一個D類觸發(fā)器的框圖和內(nèi)部門電路結構?？驁D中輸入端的三角形代表著時鐘信號邊沿觸發(fā)方式。同學們可以通過門電路結構研究D類觸發(fā)器的工作原理，在這里我們直接給出它的狀態(tài)特性表：

其中，向上的箭頭表示時鐘信號從低升至高電平時觸發(fā)有效；反之，從高電平降至低電平的邊沿觸發(fā)方式則由向下的箭頭表示?，F(xiàn)在我們給出D類觸發(fā)器的Verilog代碼：

module dff2
  (                                             
     input clk,d,                 
     output reg q,
     output wire qbar
  );

    assign qbar = ~q;
    always @(posedge clk)   // 只有clk上升沿時刻觸發(fā)
       q <= d;             // 只有當觸發(fā)生效時，才將d的值賦予給q
  endmodule

上述代碼的意思差不多等效于：你不起床就別想讓我起床。就算你起床了，如果沒把早餐做好，我還是不起床。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了代碼，如何在小腳丫上進行實驗呢？其他的好說，問題是我們要處理一下時鐘信號的問題，也就是代碼中的clk變量。

通常，輸入變量clk直接會被指定到小腳丫的板載時鐘信號上。不過，小腳丫的固定時鐘信號頻率為12兆赫茲，比人眼能分辨出的頻率快近幾十萬倍，所以我們根本不可能觀察到任何變化。

在我們學習時鐘分頻之前，觀察本次實驗的最好辦法，就是通過手動時鐘信號。因此，我們將變量分配至小腳丫的以下管腳：

理論上說，將上述程序及管腳分配導入至小腳丫后，可以通過調(diào)節(jié)開關SW1和SW4來觀察q和qbar的狀態(tài)（L1和L2）。

我知道很多人手里沒有小腳丫，并且也懶得去www.stepfpga.com上購買，所以我就拋一個問題讓大家隔空思考一下（才知道微信把公眾號留言功能給關閉了）：假如說，這個程序在仿真上的結果是正確的，但是導入小腳丫之后就不正常工作了，你覺得會是什么原因？