FPGA实战演练逻辑篇42：寄存器电路的设计方式
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本文节选自特权同学的图书《FPGA设计实战演练（逻辑篇）》
配套例程下载链接：http://pan.baidu.com/s/1pJ5bCtt
上一章节中也已经基本介绍了寄存器的基本原型，在现代逻辑设计中，时序逻辑设计是核心，而寄存器又是时序逻辑的基础。因此，掌握时序逻辑的几种常见代码书写方式又是基础中的基础。下面我们就以图文（代码）并茂的方式来学习这些基本寄存器模型的代码书写。（特权同学，版权所有）
① 简单的寄存器输入输出的模型如图5.2所示。每个时钟信号clk的有效沿（通常是上升沿），输入端数据din将被锁存到输出端dout。（特权同学，版权所有）
图5.2 基本寄存器
基本的代码书写方式如下：
// Verilog例程
module dff(clk, din, dout);
input clk;
input din;
output dout;
reg dout;
always @ (posedge clk) begin
dout <= din;
end
endmodule
② 带异步复位的寄存器输入输出的模型如图5.3所示。每个时钟信号clk的有效沿（通常是上升沿），输入端数据din将被锁存到输出端dout；而异步复位信号clr的下降沿（低电平有效复位）将强制给输出数据dout赋值为0（不论此时的输入数据din取值），此输出状态将一直保持到clr拉高后的下一个clk有效触发沿。（特权同学，版权所有）
图5.3 异步复位的寄存器
基本的代码书写方式如下：
// Verilog例程
module dff(clk, rst_n, din, dout);
input clk;
input rst_n;
input din;
output dout;
reg dout;
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) dout <= 1'b0;
else dout <= din;
end
endmodule
③ 带异步置位的寄存器输入输出的模型如图5.4所示。每个时钟信号clk的有效沿（通常是上升沿），输入端数据din将被锁存到输出端dout；而异步置位信号set的上升沿（高电平有效置位）将强制给输出数据dout赋值为1（不论此时的输入数据din取值），此输出状态将一直保持到set拉低后的下一个clk有效触发沿。（特权同学，版权所有）
图5.4 异步置位的寄存器
基本的代码书写方式如下：
// Verilog例程
module dff(clk, set, din, dout);
input clk;
input din;
input set;
output dout;
reg dout;
always @ (posedge clk or posedge set) begin
if(set) dout <= 1'b1;
else dout <= din;
end
endmodule
④ 既带异步复位，又带异步置位的寄存器则如图5.5所示。既带异步复位，又带异步置位的寄存器其实是个很矛盾的模型，我们可以简单的分析一下，如果set和clr都处于无效状态（set=0,clr=1），那么寄存器正常工作；如果set有效（set=1）且clr无效（clr=1），那么dout=1没有异议；同理，如果set无效（set=0）且clr有效（clr=0），那么dout=0也没有异议；但是如果set和clr同时有效（set=1,clr=0），输出dout咋办？到底是1还是0？
图5.5 异步复位和置位的寄存器
其实这个问题也不难，设置一个优先级不就好了。当然了，图5.5的理想寄存器模型通常只是作为电路的一部分来实现。如果我们期望这种既带异步复位，又带异步置位的寄存器在复位和置位同时出现时，异步复位的优先级高一些，那么代码书写方式可以如下：
// Verilog例程
module dff(clk, rst_n, set, din, dout);
input clk;
input din;
input rst_n;
input set;
output dout;
reg dout;
always @ (posedge clk or negedge rst_n posedge set) begin
if(!rst_n) dout <= 1’b0;
else if(set) dout <= 1'b1;
else dout <= din;
end
endmodule
这样的代码，综合出来的寄存器视图则如图5.6所示。（特权同学，版权所有）
图5.6 异步复位和置位的寄存器（复位优先级高）
⑤ 如图5.7所示，这是一种很常见的带同步使能功能的寄存器。每个时钟clk的有效沿（通常是上升沿），判断使能信号ena是否有效（我们取高电平为有效），在ena信号有效的情况下din的值才会输出到dout信号上。（特权同学，版权所有）
图5.7 带同步使能的寄存器
基本的代码书写方式如下：
// Verilog例程
module dff(clk, ena, din, dout);
input clk;
input din;
input ena;
output dout;
reg dout;
always @ (posedge clk) begin
if(ena) dout <= din;
end
endmodule
