数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

 前言:

        本专栏旨在记录高频笔面试手撕代码题,以备数字前端秋招,本专栏所有文章提供原理分析、代码及波形,所有代码均经过本人验证。

目录如下:

1.数字IC手撕代码-分频器(任意偶数分频)

2.数字IC手撕代码-分频器(任意奇数分频)

3.数字IC手撕代码-分频器(任意小数分频)

4.数字IC手撕代码-异步复位同步释放

5.数字IC手撕代码-边沿检测(上升沿、下降沿、双边沿)

6.数字IC手撕代码-序列检测(状态机写法)

7.数字IC手撕代码-序列检测(移位寄存器写法)

8.数字IC手撕代码-半加器、全加器

9.数字IC手撕代码-串转并、并转串

10.数字IC手撕代码-数据位宽转换器(宽-窄,窄-宽转换)

11.数字IC手撕代码-有限状态机FSM-饮料机

12.数字IC手撕代码-握手信号(READY-VALID)

13.数字IC手撕代码-流水握手(利用握手解决流水线断流、反压问题)

14.数字IC手撕代码-泰凌微笔试真题

15.数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题

16.数字IC手撕代码-兆易创新笔试真题

17.数字IC手撕代码-乐鑫科技笔试真题(4倍频)

18.数字IC手撕代码-双端口RAM(dual-port-RAM)

        ...持续更新

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目录

题目描述

原理分析

状态机

状态转移

三段式

代码

testbench

波形


题目描述

平头哥的手撕代码很有意思,平头哥技术终面手撕真题,题目描述如下:

        输入clk,每个时钟输入1比特的data_in,然后进来之后的序列是每次左移,也就是如果第一个时钟data_in=1,第二个时钟datain=0,第三个时钟data_in=1;则data_temp=101;然后data_out是在data_temp可以整除3的时候,输出1,其他时刻输出0;

        这道题乍一看,好像是什么移位寄存器的题,似乎不难;但实有点难度,涉及到一些数学的推导,下面我们来分析一下。

        首先,要声明的一点,这道题只能用状态机写,为什么?

        明确一下我们的需求,我们的需求是知道一条序列,然后要求输出data_out。


原理分析

        有两种做法,第一种,存储所有输入的值,然后对3取余,接着输出结果。表面可以,实则不行,因为如果要存储所有的值,在输入数据量已知的情况下,你可能提前预设reg [9999:0] data_temp来存储1w个输入的结果,那如果是100w个输入呢?那100M的时钟跑一秒,1个亿的输入呢?你全存下来,然后对3取余么?显然不行,因此第一种做法是不行的。 


        第二种做法,考虑所有可能,然后用状态机来进行状态转移,每输入一个数据1,状态机跳转到对应状态,再根据对应状态,选择输出data_out是否为1 。下面来分析一下所有可能的情况,进而再画出状态转移图:

        输入数据是1bit的,每周期输入1bit数;

假设当前余数为0时,那么左移(乘以2)后余数是0,那么进来1余1,进来0余0;

假设当前余数为1时,那么左移(乘以2)后余数是2,那么进来1余0,进来0余2;

假设当前余数为2时,那么左移(乘以2)后余数是1,那么进来1余2,进来0余1;

整个题目用有4个状态的状态机就可描述了,3个状态分别表示对3取余后的余数,1个状态为初始状态,输入为data_in,题目要求data_temp可以整除3的时候,data_out拉高,其他时候data_out拉低。

状态机

状态转移

        初始状态和余数为0时的状态都是进来1余1,进来0余0,两者的区别就在于:初始状态的data_out为低(其他状态),余数为0时的data_out为高。 

数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题

        画出状态转移图后,这道题就变得很简单了,我们之前专栏手撕过FSM饮料机,这个同理解决即可:数字IC手撕代码-有限状态机FSM-饮料机


三段式

下面直接上代码:

状态机三段式写法,第一段:状态转移 

// FSM state 
reg [3:0] next_state    ;
reg [3:0] current_state ;

//(1) state transfer
always @(posedge clk)begin
  if(!rstn)begin
    current_state <= IDLE;
  end
  else begin
    current_state <= next_state;
  end
end

第二段:根据当前状态和当前输入,决定下一状态

//(2) determine the next state according to the current state

always @(*)begin
  next_state = current_state;
  case(current_state)
      IDLE:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_0;
              1'b1: next_state = RES_1;
          endcase
      RES_0:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_0;
              1'b1: next_state = RES_1;
          endcase
      RES_1:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_2;
              1'b1: next_state = RES_0;
          endcase
      RES_2:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_1;
              1'b1: next_state = RES_2;
          endcase
      default: next_state = IDLE;
  endcase
end

        状态转移就按照状态转移图来写就行了,根据当前状态和当前输出,改变下一周期的状态为什么。 


第三段:根据当前状态和输入,决定输出结果 

//(3)determine the output according to the current state and input
always @(posedge clk)begin
  if(!rstn)begin
    data_out <= 1'b0;
  end
  else if((current_state==IDLE && data_in==1'b0)||(current_state==RES_0 && data_in==1'b0)||(current_state==RES_1 && data_in==1'b1))
    data_out <= 1'b1;
  else 
    data_out <= 1'b0;
end

输出判断,只有在状态为RES_0也就是余数为0,即对3整除时,data_out才会拉高。 

代码

module T_head#(
  parameter IDLE=4'b0001,RES_0=4'b0010,RES_1=4'b0100,RES_2=4'b1000
)(
  input         clk       ,
  input         rstn      ,

  input         data_in   ,
  output   reg  data_out  
);

// FSM state 
reg [3:0] next_state    ;
reg [3:0] current_state ;

//(1) state transfer
always @(posedge clk)begin
  if(!rstn)begin
    current_state <= IDLE;
  end
  else begin
    current_state <= next_state;
  end
end

//(2) determine the next state according to the current state

always @(*)begin
  next_state = current_state;
  case(current_state)
      IDLE:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_0;
              1'b1: next_state = RES_1;
          endcase
      RES_0:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_0;
              1'b1: next_state = RES_1;
          endcase
      RES_1:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_2;
              1'b1: next_state = RES_0;
          endcase
      RES_2:
          case(data_in)
              1'b0: next_state = RES_1;
              1'b1: next_state = RES_2;
          endcase
      default: next_state = IDLE;
  endcase
end

//(3)determine the output according to the current state and input
always @(posedge clk)begin
  if(!rstn)begin
    data_out <= 1'b0;
  end
  else if((current_state==IDLE && data_in==1'b0)||(current_state==RES_0 && data_in==1'b0)||(current_state==RES_1 && data_in==1'b1))
    data_out <= 1'b1;
  else 
    data_out <= 1'b0;
end

endmodule

testbench

module T_head_tb();
reg clk,rstn;

always #5 clk = ~clk;

reg    data_in;
wire   data_out;

initial begin
  clk     <= 1'b0;
  rstn    <= 1'b0;
  #15
  rstn    <= 1'b1;
  #20
  data_in <= 1'b1;
  #10
  data_in <= 1'b0;
  #20
  data_in <= 1'b1;
  #50
  $stop();
end

T_head u_T_head(
  .clk      (clk)       ,
  .rstn     (rstn)      ,
  .data_in  (data_in)   ,
  .data_out (data_out)
);

endmodule


波形

数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题

        波形和我们分析和思考的一致,我们在tb中将状态机的所有状态都遍历了,data_out只在current_state为4‘b0010也就是RES_0状态时才拉高,也即满足题目要求:输入一串序列,data_out仅在序列能对3整除时拉高。


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