HDLBits: 在線學(xué)習(xí) SystemVerilog（十四）-Problem 80-89（觸發(fā)器和鎖存器（1））

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。

今天更新觸發(fā)器和鎖存器，這也是FPGA部分需要了解的基礎(chǔ)部分。

觸發(fā)器和鎖存器

《觸發(fā)器全知道》

《FPGA的設(shè)計(jì)中為什么避免使用鎖存器》

Problem 80-Dff

SystemVerilog中程序塊的使用

《SystemVerilog-程序塊 (procedural blocks)》

題目說明

D 觸發(fā)器是一個(gè)電路，存儲(chǔ) 1bit 數(shù)據(jù)，并定期地根據(jù)觸發(fā)器的輸入(d)更新這 1 bit 數(shù)據(jù)，更新通常發(fā)生在時(shí)鐘上升沿(clk)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)通過輸出管腳(q)輸出。

圖片來自HDLBits

本題要求利用always程序塊創(chuàng)建一個(gè)D觸發(fā)器。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,//Clocksareusedinsequentialcircuits
inputd,
outputregq);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,//Clocksareusedinsequentialcircuits
inputlogicd,
outputlogicq);//

//Useaclockedalways_ffblock
//copydtoqateverypositiveedgeofclk
//Clockedalways_ffblocksshouldusenon-blockingassignments

always_ff@(posedgeclk)begin
q<=?d?;
????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(duì)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 81-Dff8

題目說明

實(shí)現(xiàn) 8 個(gè) D 觸發(fā)器。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
input[7:0]d,
output[7:0]q
);

題目解析

不需要將上面的電路復(fù)制八遍，只需將輸入輸出的位寬提高到八位即可，綜合器會(huì)幫我們實(shí)現(xiàn)我們需要的8個(gè)觸發(fā)器。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogic[7:0]d,
outputlogic[7:0]q
);

always_ff@(posedgeclk)begin
q<=?d?;
????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(duì)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 82-Dff8r

題目說明

在上一題基礎(chǔ)上加上同步復(fù)位電路。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousreset
input[7:0]d,
output[7:0]q
);

題目解析

這題難度不大，需要我們舉一反三：明白同步復(fù)位和異步復(fù)位。

對(duì)于電路中的時(shí)序元件，把復(fù)位信號(hào)受到時(shí)鐘的控制和復(fù)位信號(hào)不受時(shí)鐘的控制兩種電路分別稱為同步復(fù)位電路和異步復(fù)位電路。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
inputlogic[7:0]d,
outputlogic[7:0]q
);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)q<=?'0;
else
q<=??d?;
????end
endmodule

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

在vivado中綜合的結(jié)果如下：

其中，F(xiàn)DRE：D Flip-Flop with Clock Enable and Synchronous Reset 帶使能功能的同步復(fù)位D觸發(fā)器。

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(duì)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 83-Dff8p

題目說明

在上一題同步復(fù)位基礎(chǔ)上，觸發(fā)器必須復(fù)位時(shí)候?yàn)?0x34 而不是零。所有 DFF 都應(yīng)由clk的下降沿觸發(fā)。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
input[7:0]d,
output[7:0]q
);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
inputlogic[7:0]d,
outputlogic[7:0]q
);

always_ff@(negedgeclk)begin
if(reset)q<=?8'h34;
else
q<=??d?;
????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(duì)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 84-Dff8ar

題目說明

本題中的觸發(fā)器引入了異步復(fù)位。當(dāng)異步復(fù)位端有效時(shí)，觸發(fā)器的輸出復(fù)位為 0 。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputareset,//activehighasynchronousreset
input[7:0]d,
output[7:0]q
);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicareset,//activehighasynchronousreset
inputlogic[7:0]d,
outputlogic[7:0]q
);
always_ff@(posedgeclkorposedgeareset)begin
if(areset)q<=?'0;
else
q<=??d?;
????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(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

下圖是Vivado中綜合的結(jié)果：

FDC ：: D Flip-Flop with Asynchronous Clear 帶異步清除D觸發(fā)器；FDCE：D Flip-Flop with Clock Enable and AsynchronousReset 帶使能功能的異步清除D觸發(fā)器，相比與FDRE將同步復(fù)位變化成異步復(fù)位，當(dāng)同步復(fù)位接口為高電平時(shí)，直接觸發(fā)寄存器復(fù)位（置0）。

這一題就結(jié)束了。

Problem 85-Dff16e

題目說明

創(chuàng)建一個(gè) 16 路 D觸發(fā)器。部分情況下，只需要多路觸發(fā)器中的一部分觸發(fā)器工作，此時(shí)可以通過 ena 使能端進(jìn)行控制。使能端 ena 信號(hào)有效時(shí)，觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿工作。

byteena 使能信號(hào)以 byte 為單位管理 8 路觸發(fā)器在時(shí)鐘邊沿觸發(fā)與否。byteena [1] 作為 d[15:8] 高位字節(jié)的使能端，byteena [0] 則控制 d 的低位字節(jié)。

resetn 為同步，低電平有效復(fù)位信號(hào)。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputresetn,
input[1:0]byteena,
input[15:0]d,
output[15:0]q
);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicresetn,
inputlogic[1:0]byteena,
inputlogic[15:0]d,
outputlogic[15:0]q
);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(!resetn)q<=?'0;
elsebegin
case(byteena)
2'b01:
q<=?{q[15:8],?d[7:0]};
????????????????2'b10:
q<=?{d[15:8],?q[7:0]};
????????????????2'b11:
q<=?d;
????????????????2'b00:
q<=?q;
????????????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(duì)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 86-m2014 q4a

題目說明

實(shí)現(xiàn)一個(gè)如下的電路：

圖片來自HDLBits

從看到圖片上的電路就應(yīng)該認(rèn)出這個(gè)基本元器件-鎖存器，同D觸發(fā)器對(duì)比這個(gè)元件沒有 clk 端口，取而代之的是 ena 端口。

圖片來自HDLBits-D觸發(fā)器

鎖存器的特征在于，相較于 D觸發(fā)器的觸發(fā)事件發(fā)生于 clk 時(shí)鐘的邊沿，鎖存器鎖存的觸發(fā)事件發(fā)生于使能端 ena 的電平。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputd,
inputena,
outputq);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicd,
inputlogicena,
outputlogicq);

always_latchbegin
if(ena)q<=?d?;
????????else
q<=?q?;
????end
endmodule

從上面的代碼可以看出，SV在硬件描述過程中比Verilog代碼可讀性高很多，一眼就能看出這個(gè)電路的功能，而Verilog需要根據(jù)描述的功能推測(cè)電路功能。

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。但是注意圖中的警告，這個(gè)在實(shí)際使用中非常重要，鎖存器相比觸發(fā)器會(huì)消耗更多的資源，所以綜合器會(huì)在推斷出鎖存器時(shí)產(chǎn)生提醒，防止開發(fā)者在不想使用鎖存器時(shí)，因?yàn)榇a風(fēng)格等原因誤產(chǎn)生了鎖存器。

這一題就結(jié)束了。

Problem 87-m2014_q4b

題目說明

實(shí)現(xiàn)一個(gè)如下的電路：

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputd,
inputar,//asynchronousreset
outputq);

題目解析

AR 代表 asynchronous reset，所以這是一個(gè)帶有異步復(fù)位的 D 觸發(fā)器。

圖中的三角形代表時(shí)鐘，不再用 CLK 標(biāo)出。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicd,
inputlogicar,//asynchronousreset
outputlogicq);

always_ff@(posedgeclkorposedgear)begin
if(ar)q<=?'0;
else
q<=??d?;
????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 88-m2014_q4c

題目說明

實(shí)現(xiàn)一個(gè)如下的電路：

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputd,
inputr,//synchronousreset
outputq);

題目解析

R 代表 synchronous reset。所以這是一個(gè)同步復(fù)位的D觸發(fā)器。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicd,
inputlogicr,//synchronousreset
outputlogicq);

always_ff@(posedgeclk)begin
if(r)q<=?'0;
else
q<=??d?;
????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 89-m2014_q4d

題目說明

實(shí)現(xiàn)一個(gè)如下的電路：

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputin,
outputout);

題目解析

觸發(fā)器的輸出 q 和輸入信號(hào) in 一起作為異或門的輸入。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicin,
outputlogicout);

varlogicd;

always_combbegin
d=out^in;
end

always_ff@(posedgeclk)begin
out<=?d?;
????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。

總結(jié)

今天的幾道題就結(jié)束了，對(duì)于理解觸發(fā)器的非常有幫助，尤其同步復(fù)位、異步復(fù)位及鎖存器的理解非常有幫助，對(duì)于這些簡(jiǎn)單的代碼，建議放到實(shí)際的EDA工具中跑下綜合，查看一下FPGA具體的實(shí)現(xiàn)元器件是什么樣，這樣在后期自己設(shè)計(jì)代碼時(shí)候的理解很有幫助。

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(píng)指正，祝大家學(xué)習(xí)愉快~

代碼鏈接：

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