HDLBits 是一組小型電路設(shè)計(jì)習(xí)題集，使用 Verilog/SystemVerilog 硬件描述語言 (HDL) 練習(xí)數(shù)字硬件設(shè)計(jì)~

網(wǎng)址如下：

https://hdlbits.01xz.net/

關(guān)于HDLBits的Verilog實(shí)現(xiàn)可以查看下面專欄：

https://www.zhihu.com/column/c_1131528588117385216

縮略詞索引：

• SV:SystemVerilog

從今天開始新的一章-時(shí)序電路，包括觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)機(jī)等。

今天更新移位寄存器，移位寄存器在乘法、除法以及各種矩陣操作中非常重要，熟練使用移位寄存器是基本技能。

移位運(yùn)算符

雖然移位運(yùn)算和本系列沒什么太大關(guān)系，但是還是回顧一下:

<SystemVerilog-移位運(yùn)算符>

Problem 106-Shift4

題目說明

構(gòu)建一個(gè) 4 位移位寄存器（右移），具有異步復(fù)位、同步加載和使能。

• areset：將移位寄存器重置為零。
• load : 用數(shù)據(jù) [3:0]加載移位寄存器而不是移位。
• ena：右移（q[3]變?yōu)榱悖琿[0]移出并消失）。
• q：移位寄存器的內(nèi)容。

如果load和ena輸入均有效 (1)，則load輸入具有更高的優(yōu)先級。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputareset,//asyncactive-highresettozero
inputload,
inputena,
input[3:0]data,
outputreg[3:0]q);

題目解析

這是一個(gè)基本移位寄存器示例。移位過程在ena控制下，實(shí)現(xiàn)q[3]q[2]q[1]q[0] ---> 0 q[3]q[2]q[1]---> 0 0 q[3]q[2]

因?yàn)檫@題增加了很多控制信號，所以只能使用時(shí)序電路進(jìn)行描述。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicareset,//asyncactive-highresettozero
inputlogicload,
inputlogicena,
inputlogic[3:0]data,
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclkorposedgeareset)begin
if(areset)q<=?'0;
elseif(load)q<=?data?;
????????else?if?(ena)????q?<=?{1'd0,q[3:1]};
elseq<=?q?;
????end

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 107-Rotate100

題目說明

設(shè)計(jì)一個(gè)100bit的可左移或右移的移位寄存器，附帶同步置位和左移或右移的使能信號。本題中，移位寄存器在左移或右移時(shí)，不同于Problem106的補(bǔ)0和直接舍棄某一bit位，本題是要求在100bit內(nèi)循環(huán)移動(dòng)，不舍棄某一位同時(shí)也不補(bǔ)0。

比如說左移1bit，在Problem106就是補(bǔ)0和丟棄q[0]。而在本題中左移1bit為{q[0], q[99:1]}。

load：load信號將data[99:0] 輸入至寄存器內(nèi)。ena[1:0] 信號選擇是否移位和移位的具體方向2'b01 右移一位2'b10 左移一位2'b00 和 2'b11不移動(dòng)q：移位后寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputload,
input[1:0]ena,
input[99:0]data,
outputreg[99:0]q);

題目解析

本題是一個(gè)桶型移位寄存器，題目的解答就是：{q[0], q[99:1]}。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicload,
inputlogic[1:0]ena,
inputlogic[99:0]data,
outputlogic[99:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(load)q<=?data?;
????????elsebegin
case(ena)
2'b00,2'b11:q<=?q?;
????????????????2'b01:q<=?{q[0],q[99:1]}?;
????????????????2'b10:q<=?{q[98:0],q[99]};
????????????endcase
????????end
????end

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 108-Shift18

先補(bǔ)充一下算術(shù)移位寄存器和按位移位寄存器：

SystemVerilog具有按位和算術(shù)移位運(yùn)算符。

按位移位只是將向量的位向右或向左移動(dòng)指定的次數(shù)，移出向量的位丟失。移入的新位是零填充的。例如，操作8’b11000101 << 2將產(chǎn)生值8’b00010100。按位移位將執(zhí)行相同的操作，無論被移位的值是有符號的還是無符號的。

算術(shù)左移位對有符號和無符號表達(dá)式執(zhí)行與按位右移位相同的操作。算術(shù)右移位對“無符號”和“有符號”表達(dá)式執(zhí)行不同的運(yùn)算。如果要移位的表達(dá)式是無符號的，算術(shù)右移位的行為與按位右移相同，即用零填充輸入位。如果表達(dá)式是有符號的，則算術(shù)右移將通過用符號位的值填充每個(gè)輸入位來保持值的有符號性。

具體如下：

題目說明

構(gòu)建一個(gè)具有同步加載功能的 64 位算術(shù)移位寄存器。移位器可以左右移動(dòng)，移動(dòng) 1 位或 8 位，由amount選擇。

算術(shù)右移將移位寄存器（在本例中為q[63] ）中數(shù)字的符號位移位，而不是像邏輯右移那樣移入零。考慮算術(shù)右移的另一種方法是，它假設(shè)被移位的數(shù)字是帶符號的并保留符號，因此算術(shù)右移將帶符號的數(shù)字除以 2 的冪。

邏輯左移和算術(shù)左移之間沒有區(qū)別。

• load ：用數(shù)據(jù) [63:0]加載移位寄存器而不是移位。
• ena：選擇是否移動(dòng)。
• amount：選擇移動(dòng)的方向和移動(dòng)量。

2'b00：左移一位。

2'b01：左移 8 位。

2'b10：右移一位。

2'b11：右移 8 位。

• q：移位器的內(nèi)容。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputload,
inputena,
input[1:0]amount,
input[63:0]data,
outputreg[63:0]q);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicload,
inputlogicena,
inputlogic[1:0]amount,
inputlogic[63:0]data,
outputlogic[63:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(load)q<=?data?;
????????elseif(ena)
begin
case(amount)
2'b00:q<=?{q[62:0],1'd0};
2'b01:q<=?{q[55:0],8'd0};
2'b10:q<=?{q[63],q[63:1]};
????????????????2'b11:q<=?{{8{q[63]}},q[63:8]};
????????????endcase
????????end
????end

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 109-Lfsr5

題目說明

線性反饋移位寄存器(LFSR)是一種移位寄存器，通常帶有幾個(gè)異或門（XOR）來產(chǎn)生移位寄存器的下一個(gè)狀態(tài)。Galois LFSR 是一種特殊的排列方式，其中帶有“抽頭（tap）”的位位置與輸出位進(jìn)行異或以產(chǎn)生其下一個(gè)值，而沒有抽頭移位的位位置。如果仔細(xì)選擇抽頭位置，則可以將 LFSR 設(shè)為“最大長度”。n 位的最大長度 LFSR 在重復(fù)之前循環(huán)通過 2^n -1 個(gè)狀態(tài)（永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到全零狀態(tài)）。

下圖顯示了一個(gè) 5 位最大長度的 Galois LFSR，在位置 5 和 3 處有抽頭。（抽頭位置通常從 1 開始編號）。請注意，為了保持一致性，我在位置 5 處繪制了 XOR 門，但其中一個(gè) XOR 門輸入為 0。

圖片來自HDLBits

構(gòu)建這個(gè) LFSR。復(fù)位將 LFSR 重置為 1 。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Active-highsynchronousresetto5'h1
output[4:0]q
);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Active-highsynchronousresetto5'h1
outputlogic[4:0]q
);
always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?5'h1;
elsebegin
q[4]<=?1'd0^q[0];
q[3]<=?q[4];
????????q[2]?<=?q[3]?^?q[0]?;
????????q[1]?<=?q[2]?;
????????q[0]?<=?q[1]?;
????????end
????end
????????
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 110-Mt2015_lfsr

題目說明

圖片來自HDLBits

編寫此時(shí)序電路的 Verilog 代碼（可以使用子模塊進(jìn)行構(gòu)建，但頂層要命名為 top_module）。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[2:0]SW,//R
input[1:0]KEY,//Landclk
output[2:0]LEDR);//Q

題目解析

本題的解答思路是將三個(gè)觸發(fā)器的輸出端 Q，輸入端 D，組合成一個(gè) 3bit 寬度的向量進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用一個(gè) always 塊實(shí)現(xiàn)寄存器組。與之相對的是思路是例化三個(gè)選擇器+觸發(fā)器的電路，分別連接三個(gè)部分的輸入輸出。

根據(jù)選擇器的 select 端的電平，觸發(fā)器組的輸入分別為外部輸入 SW 或者觸發(fā)器組輸出序列的組合邏輯，這里用：{LEDR[1]^LEDR[2],LEDR[0],LEDR[2]} 表示。

其他信號根據(jù)題目的要求連接。

moduletop_module(
input[2:0]SW,//R
input[1:0]KEY,//Landclk
output[2:0]LEDR);//Q

reg[2:0]LEDR_next;

always_combbegin
if(KEY)
LEDR_next=SW;
elsebegin
LEDR_next[0]=LEDR[2];
LEDR_next[1]=LEDR[0];
LEDR_next[2]=LEDR[2]^LEDR[1];
end
end

always_ff@(posedgeKEY[0])begin
LEDR<=?LEDR_next;
????end
????
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 111-Lfsr32

題目說明

參考109題中的 5bit LFSR，實(shí)現(xiàn)一個(gè) 32bit LFSR，

抽頭點(diǎn)為32,22,2,1。

提示：32bit 的 LFSR 最好使用向量實(shí)現(xiàn)，而不是例化 32 個(gè)觸發(fā)器。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Active-highsynchronousresetto32'h1
output[31:0]q
);

題目解析

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Active-highsynchronousresetto32'h1
output[31:0]q
);

reg[31:0]q_next;
always_combbegin
q_next={q[0],q[31:1]};
q_next[21]=q[0]^q[22];
q_next[1]=q[0]^q[2];
q_next[0]=q[0]^q[1];
end

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)
q<=?32'h1;
elsebegin
q<=?q_next;
????????end
????end
?
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 112-m2014_q4k

題目說明

實(shí)現(xiàn)下圖中的電路

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputresetn,//synchronousreset
inputin,
outputout);

題目解析

實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶有異步復(fù)位的移位寄存器。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicresetn,//synchronousreset
inputlogicin,
outputlogicout);

varlogic[3:0]Q;

always_ff@(posedgeclk)begin
if(!resetn)Q<=?'0;
elseQ<=?{in,Q[3:1]}?;
????end
????
????assign?out?=?Q[0]?;

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 113-2014_q4b

題目說明

實(shí)現(xiàn)下圖中的 n bit 移位寄存器電路，這題希望使用例化的方式，例化 4 個(gè)選擇器+觸發(fā)器模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè) 4bit 移位寄存器。另外還要進(jìn)行一些連線工作。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[3:0]SW,
input[3:0]KEY,
output[3:0]LEDR
);

題目解析

MUXDFT 模塊之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，復(fù)制過來即可，剩下的就是例化。

moduletop_module(
inputlogic[3:0]SW,
inputlogic[3:0]KEY,
outputlogic[3:0]LEDR
);//

MUXDFFu1_MUXDFF(
.clk(KEY[0]),
.w(KEY[3]),
.R(SW[3]),
.E(KEY[1]),
.L(KEY[2]),
.Q(LEDR[3])
);
MUXDFFu2_MUXDFF(
.clk(KEY[0]),
.w(LEDR[3]),
.R(SW[2]),
.E(KEY[1]),
.L(KEY[2]),
.Q(LEDR[2])
);
MUXDFFu3_MUXDFF(
.clk(KEY[0]),
.w(LEDR[2]),
.R(SW[1]),
.E(KEY[1]),
.L(KEY[2]),
.Q(LEDR[1])
);
MUXDFFu4_MUXDFF(
.clk(KEY[0]),
.w(LEDR[1]),
.R(SW[0]),
.E(KEY[1]),
.L(KEY[2]),
.Q(LEDR[0])
);

endmodule

moduleMUXDFF(
inputlogicclk,
inputlogicw,R,E,L,
outputlogicQ
);
always_ff@(posedgeclk)begin
casex({E,L})
2'b00:Q<=?Q?;
????????????2'bx1:Q<=?R?;
????????????2'b10:Q<=?w?;
????????endcase
????end

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 114-ece241_2013_q12

題目說明

本題中實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)和 8x1 結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)體相關(guān)的電路。存儲(chǔ)的輸入通過移入比特進(jìn)行，存儲(chǔ)的讀取類似于傳統(tǒng) RAM 中的隨機(jī)讀取，即可以指定讀出比特的位置，通過 3 個(gè)輸入端口指定讀取位置。

首先通過 8 個(gè)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)一個(gè) 8bit 深的移位寄存器。8個(gè)寄存器的輸出依次為 Q[0]...Q[7]。移位寄存器的輸入為 S，輸入首先會(huì)填充到 MSB（最高位），Q[0]。當(dāng) enable 信號控制移位，當(dāng)其有效時(shí)輸入數(shù)據(jù)并移位。此外，該電路有三個(gè)輸入端口 A,B,C 以及輸出端口 Z。工作的功能如下：當(dāng) ABC = 000 時(shí)，Z = Q[0],當(dāng) ABC = 001 時(shí)，Z = Q[1],以此類推。你的電路中只能包括一個(gè) 8bit 移位寄存器以及一個(gè)多路選擇器。（這就是個(gè)三輸入查找表 LUT 電路）

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputenable,
inputS,
inputA,B,C,
outputZ);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicenable,
inputlogicS,
inputlogicA,B,C,
outputlogicZ);

varlogic[7:0]Q;

always_ff@(posedgeclk)begin
if(enable)Q<=?{Q[6:0],S}?;
????end
????
????always_comb?begin
????????case({A,B,C})
3'b000:begin
Z=Q[0];
end
3'b001:begin
Z=Q[1];
end
3'b010:begin
Z=Q[2];
end
3'b011:begin
Z=Q[3];
end
3'b100:begin
Z=Q[4];
end
3'b101:begin
Z=Q[5];
end
3'b110:begin
Z=Q[6];
end
3'b111:begin
Z=Q[7];
end
endcase
end


endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

總結(jié)

今天的幾道題就結(jié)束了，對于移位寄存器的使用以及算術(shù)/按位移位的理解還是有益處的。

最后我這邊做題的代碼也是個(gè)人理解使用，有錯(cuò)誤歡迎大家批評指正，祝大家學(xué)習(xí)愉快~

代碼鏈接：

https://github.com/suisuisi/SystemVerilog/tree/main/SystemVerilogHDLBits