verilog抓外部低频输入信号的上升沿和下降沿

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　　作者：窗户

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　　已经很久很久很久，没有真正在正式工作中设计过数字电路，有的只是在业余的时候玩玩。

　　想起最早的时候，学习数字电路设计，用的是原理图。习惯于用原理图去思考，后来用VHDL，再后来习惯了verilog那和C语言一样的运算符以及简洁的表达，不再喜欢VHDL的累赘。之所以用HDL，最初的想法仅仅是因为原理图画起来累，理解起来繁琐且不便于修改罢了，脑子里最开始总是不断在真实电路和HDL代码中映射。

　　现在EDA的技术越来越发达，我一朋友从事IC设计，却从来不理解原理图设计，让我一度匪夷所思，后来想想可能只是因为他没有经历过我们以前那个阶段罢了。

　　闲话不多说了，回到这个主题，这其实是数字设计中经常遇到的问题。初学者看到的就是，这还不简单，直接把这个信号引入当D触发器的时钟，结果超复杂的异步设计，陷入万劫深渊无法自拔，这还没包括外部信号可能会有干扰而产生毛刺。

　　首先，我们要先默认，外部输入的信号频率要低过主频，否则无法处理，其次，外部输入的信号是可能会有毛刺的。

　　

　　如上所示是一个毛刺，不能当时发生了上升沿。

　　如上所示，只是上升沿的过程出现了毛刺，不能当成是多个上升沿发生。

　　那么我们得想办法把毛刺过滤。毛刺发生的情况并不多，于是我们就想，每次系统时钟上升沿（或下降沿）的时候都对外部数字信号采样，当外部真正的电平（也就是去掉毛刺之后）是低电平的时候，采样也绝大多数都是低电平，采到高电平的毛刺是凤毛麟角，高电平也同理。

　　再进一步我们就会想，如果连续采到n个电平是高电平，那么实际电平就是高电平；反之，如果连续采到n个电平是低电平，那么实际电平就是低电平；如果连续抓的n个电平有高有低，则实际电平就是之前保持的。

　　如此就得到了过滤毛刺之后的真实信号，然后再用真实信号连续两个系统时钟的值来判断上升沿下降沿。

　　于是有了如下设计

`timescale 1ns / 1ns
module top
(
 nRst,
 clk,
 in,
 en_posedge
);
input nRst, clk, in;
output en_posedge;

parameter W=3;
reg [W-1:0]in_reg;
always@(negedge nRst or posedge clk)
if(!nRst)
        in_reg <= {W{1'b0}};
else
        in_reg <= {in_reg[W-2:0], in};

reg in_filter, in_filter_last;
always@(negedge nRst or posedge clk)
if(!nRst)
        in_filter <= 1'b0;
else case({&in_reg, |in_reg})
        2'b00: in_filter <= 1'b0;
        2'b11: in_filter <= 1'b1;
        default: in_filter <= in_filter;
        endcase

always@(negedge nRst or posedge clk)
if(!nRst)
        in_filter_last <= 1'b0;
else
        in_filter_last <= in_filter;

reg en_posedge;
always@(negedge nRst or posedge clk)
if(!nRst)
        en_posedge <= 1'b0;
else if((!in_filter_last) & in_filter)
        en_posedge <= 1'b1;
else
        en_posedge <= 1'b0;

endmodule

所描述的电路长这样

 

再来做一个testbench

`timescale 1ns / 1ns
module tb;
reg nRst, clk, in;
wire en_posedge;

top t
(
 nRst,
 clk,
 in,
 en_posedge
);

initial
forever
begin
clk = 0;
#10;
clk = 1;
#10;
end

initial
begin
in=0;
nRst=1;
#5;
nRst=0;
#20;
nRst=1;
#1000;
in=1;
#20;
in=0;
#1000;
repeat(3)
        begin
        in=1;
        #20;
        in=0;
        #20;
        end
in=1;
#1000;
$stop;
end


endmodule

 仿真图如下

只认出了一次上升沿。抓取下降沿同理。

再来说说设计中的

parameter W=3;

这里的W代表着，设计可以过滤掉小于W-1个系统时钟周期的毛刺。

另外，in_reg和in_filter、in_filter_last要么全1要么全0，取决于默认情况下（一般是指无通信的时候）外部输入信号是什么电平。

想起以前工程中真的出现过问题，悲哀的教训，后来仔细想了很久，虽然看上去不难实现，但的确是吸取教训之后的设计结果。