Problem 151-review2015_count1k

題目說明

構(gòu)建一個(gè)從 0 到 999（含）計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，周期為 1000 個(gè)周期。復(fù)位輸入是同步的，應(yīng)該將計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,
output[9:0]q);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,
outputlogic[9:0]q);


always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)begin
q<=?10'd0?;
????end
????else?if?(q?==?10'd999)?begin
????????q?<=?10'd0?;
????end
????else?begin
????????q?<=?q?+?10'd1?;
????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 152-review2015_shiftcount

題目說明

接下來的五道題目，每題構(gòu)建一個(gè)小型的電路，最終組裝成為一個(gè)復(fù)雜的計(jì)數(shù)器電路。

本題設(shè)計(jì)一個(gè) 4bit 位寬的移位寄存器，并具有計(jì)數(shù)器功能，可向下計(jì)數(shù)（即計(jì)數(shù)值遞減）。

當(dāng)移位使能 shift_ena 信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù) data 移入移位寄存器，向高位移動(dòng)（most-significant-bit），即左移。

當(dāng)計(jì)數(shù)使能 count_ena 信號(hào)有效時(shí)，寄存器中現(xiàn)有的數(shù)值遞減，向下計(jì)數(shù)。

由于系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)使用移位以及計(jì)數(shù)功能，因此不需要考慮兩者使能信號(hào)皆有效的情況。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputshift_ena,
inputcount_ena,
inputdata,
output[3:0]q);

題目解析

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicshift_ena,
inputlogiccount_ena,
inputlogicdata,
outputlogic[3:0]q);

always_ff@(posedgeclk)begin
case(1'b1)
shift_ena:begin
q<=?{q[2:0]?,?data}?;?
????????end?
????????count_ena:?begin
????????????q?<=?q?-?4'd1?;
????????end
????????default:?begin
????????????q?<=?q?;
????????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(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 153-review2015_fsmseq

題目說明

接下來的五道題目，每題構(gòu)建一個(gè)小型的電路，最終組裝成為一個(gè)復(fù)雜的計(jì)數(shù)器電路。

構(gòu)建一個(gè)在輸入比特流中搜索序列 1101 的有限狀態(tài)機(jī)。當(dāng)找到序列時(shí)，應(yīng)該將start_shifting設(shè)置為 1，直到復(fù)位?？ㄔ谧罱K狀態(tài)旨在模擬在尚未實(shí)現(xiàn)的更大 FSM 中進(jìn)入其他狀態(tài)。我們將在接下來的幾個(gè)練習(xí)中擴(kuò)展這個(gè) FSM。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousreset
inputdata,
outputstart_shifting);

題目解析

檢查一個(gè)序列檢測狀態(tài)機(jī)是否完備，一個(gè)簡單的方法是觀察所有狀態(tài)，是否均包括輸入分別為 0/1 的情況下的跳轉(zhuǎn)，比如 state[IDLE ] && ~data 和 state[IDLE ] && data 是否均存在于狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件中。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
inputlogicdata,
outputlogicstart_shifting
);

//definestate

typedefenumlogic[2:0]{idle=3'd1,S0=3'd2,
S1=3'd3,S2=3'd4,S3=3'd5
}state_def;

state_defcur_state,next_state;


//describestatetransitionusecombinationallogic

always_combbegin
case(cur_state)
idle:begin
next_state=data?S0:idle;
end

S0:begin
next_state=data?S1:idle;
end

S1:begin
next_state=data?S1:S2;
end

S2:begin
next_state=data?S3:idle;
end

S3:begin
next_state=S3;
end
default:begin
next_state=idle;
end
endcase
end


//describestatesequencerusesequentiallogic

always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)begin
cur_state<=?idle?;
????end
????else?begin
????????cur_state?<=?next_state?;
????end????
end

//describe?output?decoder?use?combinational?logic

assign?start_shifting?=?(cur_state?==?S3)?;

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 154-review2015_fsmshift

題目說明

接下來的五道題目，每題構(gòu)建一個(gè)小型的電路，最終組裝成為一個(gè)復(fù)雜的計(jì)數(shù)器電路。

作為用于控制移位寄存器的 FSM 的一部分，我們希望能夠在檢測到正確的位模式時(shí)啟用移位寄存器正好 4 個(gè)時(shí)鐘周期。我們在Exams/review2015_fsmseq中處理序列檢測，因此 FSM 的這一部分僅處理啟用移位寄存器 4 個(gè)周期。

每當(dāng) FSM 復(fù)位時(shí)，將shift_ena斷言4 個(gè)周期，然后永遠(yuǎn)為 0（直到復(fù)位）。

圖片來自HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousreset
outputshift_ena);

題目解析

題目要求 reset 信號(hào)移除后，立即 輸出使能信號(hào)，因此需要組合邏輯輸出。

moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
outputlogicshift_ena);

//definestate
typedefenumlogic{S0=1'd0,S1=1'd1}state_def;
state_defcur_state,next_state;

//describestatesequencerusesequentiallogic
always_ff@(posedgeclk)begin
if(reset)begin
cur_state<=?S0?;
????end
????else?begin
????????cur_state?<=?next_state?;
????end
end

//describe?state?transition?use?combinational?logic

always_comb?begin?
????case?(cur_state)
????????S0:?begin
????????????next_state?=?reset???S0?:?S1?;
????????end

????????S1:?begin
????????????next_state?=?reset???S0?:?S1?;
????????end
????????default:?begin
????????????next_state?=?cur_state?;
????????end
????endcase
end

//define?counter?use?sequential?logic
var?logic?[6:0]?counter?;
always_ff?@(?posedge?clk?)?begin?
????if?(reset)?begin
????????counter?<=?7'd0?;
????end
????else?if?(next_state?==?S1)?begin
????????counter?<=?counter?+?7'd1?;
????end
????else?begin
????????counter?<=?counter?;
????end
end

//describe?output?decoder?use?sequential?logic

assign?shift_ena?=?(cur_state?==?S0)?||?(cur_state?==?S1?&&?counter?

	

	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 155-review2015_fsm

	題目說明

	本題實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)數(shù)器的第四個(gè)組件。

	在此題之前，我們已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了 FSM：Enable shift register 以及 FSM：1101 序列檢測器。接下來我們繼續(xù)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)復(fù)雜計(jì)數(shù)器的完整 FSM。

	復(fù)雜計(jì)數(shù)器需要如下這些功能特性：

	在數(shù)據(jù)流中檢測到特定序列后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，該序列為： 1101將 4bits 數(shù)據(jù)輸入移位寄存器，作為計(jì)數(shù)器的初值等待計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)告知上層應(yīng)用計(jì)數(shù)完成，并等待用戶通過 ack 信號(hào)確認(rèn)在本題練習(xí)中，只需要實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)機(jī)，不需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路，比如計(jì)數(shù)器本身以及數(shù)據(jù)比較器等。

	數(shù)據(jù)流從模塊的 data 信號(hào)輸入，當(dāng)檢測到 1101 序列后，狀態(tài)機(jī)需要置高輸出信號(hào) shft_ena 并保持 4 個(gè)周期（用于將接下來 4bit 數(shù)據(jù)輸入移位寄存器）。

	之后，狀態(tài)機(jī)置高 counting 信號(hào)，表示其正在等待計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)輸出 done_counting 信號(hào)后，counting 信號(hào)置低。

	再此后，狀態(tài)機(jī)置高 done 信號(hào)通知上層應(yīng)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成，等待 ack 信號(hào)置高后，狀態(tài)機(jī)清除 done 信號(hào)，返回空閑狀態(tài)等待捕獲下一個(gè) 1101 序列。

	本題給出了一個(gè)期望輸入輸出的例子。圖中的斜線代表當(dāng)前信號(hào)為 'X', 表示狀態(tài)機(jī)不關(guān)心該信號(hào)當(dāng)前的值。比如圖例中，一旦 FSM 檢測到 1101 序列后，在此次計(jì)數(shù)器事件完成前，對(duì)于當(dāng)前的數(shù)據(jù)流不再關(guān)心。

	

	模塊端口聲明

	
moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousreset
inputdata,
outputshift_ena,
outputcounting,
inputdone_counting,
outputdone,
inputack);


	

	題目解析

	狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

	

	
moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
inputlogicdata,
outputlogicshift_ena,
outputlogiccounting,
inputlogicdone_counting,
outputlogicdone,
inputlogicack
);

//definestate

typedefenumlogic[2:0]{idle=3'd1,S0=3'd2,S1=3'd3,
S2=3'd4,shif=3'd5,count=3'd6,
waite=3'd7
}state_def;

state_defcur_state,next_state;


//describestatetransitionusecombinationallogic

always_combbegin
case(cur_state)
idle:begin
next_state=data?S0:idle;
end

S0:begin
next_state=data?S1:idle;
end

S1:begin
next_state=data?S1:S2;
end

S2:begin
next_state=data?shif:idle;
end

shif:begin
next_state=counter

	

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

	

	注意圖中無參考波形。

	這一題就結(jié)束了。

	Problem 156-review2015_fancytimer

	題目說明

	終于到了完整構(gòu)建復(fù)雜計(jì)數(shù)器的時(shí)候，整體功能已經(jīng)在上題中討論，這里不再贅述。

	在數(shù)據(jù)流中檢測到序列 1101 后，電路需要將接下來的 4bit 數(shù)據(jù)移入移位寄存器。4bit 數(shù)據(jù)決定了計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期，稱為 delay[3:0]。首先到達(dá)的比特作為數(shù)據(jù)的高位。

	之后，狀態(tài)機(jī)置高 counting 信號(hào)，表示其正在等待計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)。在 FSM 中增加計(jì)數(shù)器狀態(tài)，計(jì)數(shù)周期為 （delay[3:0] + 1 ）* 1000 個(gè)時(shí)鐘周期。比如 delay = 0 時(shí)，計(jì)數(shù)值為 1000 個(gè)周期。delay = 5 代表 6000 個(gè)周期。同時(shí)輸出 count 當(dāng)前剩余的計(jì)數(shù)周期，輸出當(dāng)前剩余計(jì)數(shù)周期的千位（比如，還剩1000個(gè)周期輸出 1，還剩 999 個(gè)周期時(shí)輸出 0）。當(dāng)計(jì)數(shù)停止后，count 的輸出可以為任意數(shù)。

	當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，電路置高 done 信號(hào)通知上層應(yīng)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成，等待 ack 信號(hào)置高后，狀態(tài)機(jī)清除 done 信號(hào)，返回空閑狀態(tài)等待捕獲下一個(gè) 1101 序列。

	本題給出了一個(gè)期望輸入輸出的例子。圖中的斜線代表當(dāng)前信號(hào)為 'X', 表示狀態(tài)機(jī)不關(guān)心該信號(hào)當(dāng)前的值。比如圖例中，一旦 FSM 檢測到 1101 序列并讀取 delay[3:0] 后，在此次計(jì)數(shù)器事件完成前，對(duì)于當(dāng)前的數(shù)據(jù)流不再關(guān)心。

	在圖例中，電路計(jì)數(shù)周期為 2000 ，因?yàn)?delay[3:0] 數(shù)值為 4'b0001 。在后續(xù)的第二個(gè)計(jì)數(shù)周期中，因?yàn)?delay[3:0] = 4‘b1110，所以計(jì)數(shù)周期為 15000。

	 圖片來自HDLBits

	模塊端口聲明

	
moduletop_module(
inputclk,
inputreset,//Synchronousreset
inputdata,
output[3:0]count,
outputcounting,
outputdone,
inputack);


	

	題目解析

	
moduletop_module(
inputlogicclk,
inputlogicreset,//Synchronousreset
inputlogicdata,
outputlogic[3:0]count,
outputlogiccounting,
outputlogicdone,
inputlogicack
);

//definestate

typedefenumlogic[2:0]{idle=3'd1,S0=3'd2,S1=3'd3,
S2=3'd4,shif=3'd5,count_t=3'd6,
waite=3'd7
}state_def;

state_defcur_state,next_state;


//describestatetransitionusecombinationallogic

always_combbegin
case(cur_state)
idle:begin
next_state=data?S0:idle;
end

S0:begin
next_state=data?S1:idle;
end

S1:begin
next_state=data?S1:S2;
end

S2:begin
next_state=data?shif:idle;
end

shif:begin
next_state=counter_shif=1000&&counter<=?1999)begin
????????counter_delay?=?4'd1;
????end
????else?if(counter?>=2000&&counter<=?2999)begin
????????counter_delay?=?4'd2;
????end
????else?if(counter?>=3000&&counter<=?3999)begin
????????counter_delay?=?4'd3;
????end
????else?if(counter?>=4000&&counter<=?4999)begin
????????counter_delay?=?4'd4;
????end
????else?if(counter?>=5000&&counter<=?5999)begin
????????counter_delay?=?4'd5;
????end
????else?if(counter?>=6000&&counter<=?6999)begin
????????counter_delay?=?4'd6;
????end
????else?if(counter?>=7000&&counter<=?7999)begin
????????counter_delay?=?4'd7;
????end
????else?if(counter?>=8000&&counter<=?8999)begin
????????counter_delay?=?4'd8;
????end
????else?if(counter?>=9000&&counter<=?9999)begin
????????counter_delay?=?4'd9;
????end
????else?if(counter?>=10000&&counter<=?10999)begin
????????counter_delay?=?4'd10;
????end
????else?if(counter?>=11000&&counter<=?11999)begin
????????counter_delay?=?4'd11;
????end
????else?if(counter?>=12000&&counter<=?12999)begin
????????counter_delay?=?4'd12;
????end
????else?if(counter?>=13000&&counter<=?13999)begin
????????counter_delay?=?4'd13;
????end
????else?if(counter?>=14000&&counter<=?14999)begin
????????counter_delay?=?4'd14;
????end
????else?begin
????????counter_delay?=?4'd15;
????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 157-review2015_fsmonehot

	題目說明

	給定以下具有 3 個(gè)輸入、3 個(gè)輸出和 10 個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)：

	 圖片來自HDLBits

	假定使用以下one-hot編碼， 通過檢查推導(dǎo)出下一狀態(tài)邏輯方程和輸出邏輯方程： (S, S1, S11, S110, B0, B1, B2, B3, Count, Wait) = (10'b0000000001, 10 'b0000000010, 10'b0000000100, ..., 10'b1000000000)

	假設(shè)采用one-hot編碼，通過檢查推導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出邏輯方程。僅為該狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯和輸出邏輯（組合邏輯部分）。（測試臺(tái)將使用非熱輸入進(jìn)行測試，以確保不會(huì)嘗試做更復(fù)雜的事情。請(qǐng)參閱fsm3onehot用于描述單熱狀態(tài)機(jī)“通過檢查”推導(dǎo)邏輯方程的含義。）

	編寫生成以下等式的代碼：

	B3_next ，B2 狀態(tài)的次態(tài)（原題寫的 B1，應(yīng)該為筆誤）

	S_next

	S1_next

	Count_next

	以及下列輸出信號(hào)

	done

	counting

	shift_ena

	模塊端口聲明

	
moduletop_module(
inputd,
inputdone_counting,
inputack,
input[9:0]state,//10-bitone-hotcurrentstate
outputB3_next,
outputS_next,
outputS1_next,
outputCount_next,
outputWait_next,
outputdone,
outputcounting,
outputshift_ena
);


	

	題目解析

	
moduletop_module(
inputlogicd,
inputlogicdone_counting,
inputlogicack,
inputlogic[9:0]state,//10-bitone-hotcurrentstate
outputlogicB3_next,
outputlogicS_next,
outputlogicS1_next,
outputlogicCount_next,
outputlogicWait_next,
outputlogicdone,
outputlogiccounting,
outputlogicshift_ena
);//

//Youmayusetheseparameterstoaccessstatebitsusinge.g.,state[B2]insteadofstate[6].
parameterlogic[3:0]S=4'd0,S1=4'd1,S11=4'd2,S110=4'd3,
B0=4'd4,B1=4'd5,B2=4'd6,B3=4'd7,
Count=4'd8,Wait=4'd9;

assignB3_next=state[B2];
assignS_next=~d&state[S]|~d&state[S1]|~d&state[S110]|ack&state[Wait];
assignS1_next=d&state[S];
assignCount_next=state[B3]|~done_counting&state[Count];
assignWait_next=done_counting&state[Count]|~ack&state[Wait];
assigndone=state[Wait];
assigncounting=state[Count];
assignshift_ena=state[B0]|state[B1]|state[B2]|state[B3];

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。

	總結(jié)

	今天的幾道題就結(jié)束了，今天是大型電路的設(shè)計(jì)思路，分模塊設(shè)計(jì)。

	



	審核編輯：劉清