04 4bit移位寄存器设计与功能验证（附源码）-Toy模板网

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写在前面，4位右移移位寄存器，顾名思义使用四个触发器级联，从一次输入到输出，只移动了3位，而不是4位。比如输入是1101，输出时为0001，而不是0000。

虚拟机：VMware -14.0.0.24051
环境：ubuntu 18.04.1
脚本：makefile（点击直达）
应用工具：vcs 和 verdi

一、Overview

（1）Theory

行为级描述
结构级描述

04 4bit移位寄存器设计与功能验证（附源码）

移位寄存器可以存储数据，还可以用来实现数据的串并转换、分频，构成序列码发生器、序列码检测器等；上图是4位右移寄存器原理图，依据移位寄存器的特点，移位寄存器在时钟的控制下，可将输入数据依次往后移动，N个寄存器级联，最后输出的数据是输入数据的右移N-1位。其中，左边的空位会被补0。其中QD是串行输出端，{QA,QB,QC,QD}可实现并行输出，如果将输出端QD接到输入端QI，则可以实现自循环移位寄存器。

（2）Demand

当复位信号为0时，输出端全为0；在每个时钟的上升沿时刻，输出端的4位数据向右移一位。
使用行为级描述和结构建模方式描述。

二、Interface

Signal Name	Width	Direction	Description
clk	1	input	System clk signal, xxMhz
rst	1	input	System reset signal
data	1	input	Detected data
result	1	output	Detection result signal

三、Timeing

04 4bit移位寄存器设计与功能验证（附源码）

四、Design and Functional Verification

（1）RTL

//行为级描述
//-- modified by xlinxdu, 2022/04/27
module shift(
  input            clk_i  ,
  input            rst_n_i,
  input            data_i ,
  output reg [3:0] out_o
);
reg [3:0] out_s;

always @ (posedge clk_i or negedge rst_n_i)begin
  if(!rst_n_i)begin
    out_s <= 4'b0;
  end
  else begin
    out_s <= {out_s[2:0],data_i};
  end
end

always @ (posedge clk_i or negedge rst_n_i)begin
  if(!rst_n_i)begin
    out_o <= 4'b0;
  end
  else begin
    out_o <= (out_s >> 3);
  end
end
 
endmodule

//结构级描述
//-- modified by xlinxdu, 2022/04/27
module shift(
  input            clk_i   ,
  input            rst_n_i   ,
  input            data_i  ,
  output reg [3:0] result_o,
  output reg [3:0] out_o
);
reg [2:0] cnt;
reg QA,QB,QC,QD;

always @ (posedge clk_i or negedge rst_n_i)begin
  if(!rst_n_i) begin
    cnt <= 2'b0;
    QA <= 1'b0;
    QB <= 1'b0;
    QC <= 1'b0;
    QD <= 1'b0;
    result_o <= 4'b0;
  end
  else begin
    QA <= data_i;
    QB <= QA;
    QC <= QB;
    QD <= QC;
    result_o <= {QD,QC,QB,QA};
  end
end

always @ (posedge clk_i or negedge rst_n_i)begin
  if(!rst_n_i) begin
    out_o <= 4'b0;
  end
  else begin
    out_o <= {out_o[2:0],QD};
  end
end
endmodule

（2）Test Bench

//行为级描述测试平台
//-- modified by xlinxdu, 2022/04/27
module tb_shift;
  reg clk_i;
  reg rst_n_i;
  reg data_i;
//  wire [3:0] result_o;
  wire [3:0] out_o;

initial begin
  clk_i = 0;
  rst_n_i = 1;
  data_i = 0;
  #10 rst_n_i = 0;
  #10;
  rst_n_i = 1;
end

always #50  clk_i = ~clk_i;
always begin
#100 data_i = 1;
#100 data_i = 1;
#100 data_i = 0;
#100 data_i = 1;
#100;
end
shift tb_shift(
                .clk_i(clk_i),
                .rst_n_i(rst_n_i),
                .data_i(data_i),
//                .result_o(result_o),
                .out_o(out_o)
              );

initial begin
  $fsdbDumpfile("shift.fsdb");
  $fsdbDumpvars              ;
  $fsdbDumpMDA               ;
  #1000 $finish             ;
end
endmodule

//结构描述测试平台
//-- modified by xlinxdu, 2022/04/27
module tb_shift;
  reg clk_i;
  reg rst_n_i;
  reg data_i;
  wire [3:0] result_o;
  wire [3:0] out_o;

initial begin
  clk_i = 0;
  rst_n_i = 1;
  data_i = 0;
  #10 rst_n_i = 0;
  #10;
  rst_n_i = 1;
end

always #50  clk_i = ~clk_i;
always begin
#100 data_i = 1;
#100 data_i = 1;
#100 data_i = 0;
#100 data_i = 1;
#100;
end
shift tb_shift(
                .clk_i(clk_i),
                .rst_n_i(rst_n_i),
                .data_i(data_i),
                .result_o(result_o),
                .out_o(out_o)
              );

initial begin
  $fsdbDumpfile("shift.fsdb");
  $fsdbDumpvars              ;
  $fsdbDumpMDA               ;
  #1000 $finish             ;
end
endmodule

五、Result

（1）行为级描述测试结果

04 4bit移位寄存器设计与功能验证（附源码）

（2）结构级描述测试结果

04 4bit移位寄存器设计与功能验证（附源码）
分析：
在行为级描述过程中，输出只与输入有关，每次只会操作就近的四位数据，之外的数据会被丢弃掉，四位内左侧补0，因为每次只有四位数据被赋值到中间变量out_s造成下一次的时候，四位以外的数据丢失了，数据不符合实际电路产生的值（bug）。
在结构级描述过程中，输出与result_o是4位寄存器的并输出端，out_o是移位后数据的输出端，其中输出的值需要看该时刻前面的完整的输入值。比如刚开始的时候，串行输入值为0110时，移位输出值为0000；串行输入值为01101时，移位输出值为0001；串行输入值为0110111时，移位输出值为0110,，依次类推，每来一个时钟，数据右移一位输出。

（3）bug分析

针对上述情况，分析产生数据丢失的是因为中间的缓存变量每次只缓存4bit数据，而在四位移位寄存器中，要保证数据不被截取掉，至少保证数据位宽为7（移动的3bit+4bit数据）。见下表：

输入	累计数据(4bit)	移位后的数据(>>3)	累计数据(7bit)	移位后的数据(>>3)
a	000a	0000	000_000a	0000
b	00ab	0000	000_00ab	0000
c	0abc	0000	000_0abc	0000
d	abcd	000a	000_abcd	000a
e	bcde	000b	00a_bcde	00ab
f	cdef	000c	0ab_cdef	0abc
g	defg	000d	abc_defg	abcd
h	efgh	000h	bcd_efgh	bcde