【FPGA】Verilog：时序电路应用 | 序列发生器 | 序列检测器

前言：本章内容主要是演示Vivado下利用Verilog语言进行电路设计、仿真、综合和下载

示例：序列发生器与序列检测器

​

• 功能特性： 采用 Xilinx Artix-7 XC7A35T芯片 
• 配置方式：USB-JTAG/SPI Flash
• 高达100MHz 的内部时钟速度 
• 存储器：2Mbit SRAM   N25Q064A SPI Flash（样图旧款为N25Q032A）
• 通用IO：Switch ：x8LED：x16Button：x5DIP：x8   通用扩展IO：32pin
• 音视频/显示： 7段数码管：x8 VGA视频输出接口 Audio音频接口 
• 通信接口：UART：USB转UART   Bluetooth：蓝牙模块 
• 模拟接口： DAC：8-bit分辨率   XADC：2路12bit 1Msps ADC

目录

 Ⅰ. 前置知识

0x00 序列检测器

0x01 序列发生器

 Ⅱ. 示例讲解

0x00 序列发生器

0x01 序列检测器

Ⅲ. Verilog实现

0x00 序列检测器

0x01 序列发生器 

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 Ⅰ. 前置知识

0x00 序列检测器

序列检测器在数据通讯，雷达和遥测等领域中用于检测同步识别标志。

它是一种用来检测一组或多组序列信号的电路。例如检测器收到一组指定的串行码后，输出标志1，否则，输出0。检测器每收到一个符合要求的串行码就需要用一个状态进行记忆。

若要检测的串行码长度为N位，则需要N个状态；另外，还需要增加一个“未收到一个有效位”的初始状态，共N+1个状态；

0x01 序列发生器

序列发生器用于产生一个指定序列串，与序列检测器类似，每产生一个符合要求的串行码就需要用一个状态进行记忆。

若要产生的串行码长度为N位，则需要N个状态；另外，还需要增加一个“未产生一个有效位”的初始状态，共N+1个状态

❗注：

进行序列发生器或者序列检测器的设计，首先按要求画出状态转换图（表），然后按照实现方案采用经典设计方法或者Verilog语言完成设计。

 Ⅱ. 示例讲解

0x00 序列发生器

 设计一个序列发生器，输出序列为110100

a、设计实现方法；

b、基于Verilog语言完成设计；

c、利用VIVADO验证并给出testbench结果（波形图）。

参考方法一：计数器加组合输出网络类型

计数型序列信号发生器的结构框图如图示：

它由计数器和组合输出网络两部分组成，序列信号从组合输出网络输出。

这种类型的序列信号发生器一般分两步来设计，首先根据序列的长度M设计模M计数器，计数器的状态可以自定；然后按计数器的状态转移关系和序列码的要求设计组合输出网络。

由于计数器的状态设置和输出网络没有直接的关系，因此这种结构对于输出序列的更改比较方便，而且还能同时产生多组序列码。

下面描述的为计数器加组合输出网络构成的序列信号发生器，产生001011序列信号，通过内部的3位计数器进行计数，由计数状态和输出序列的对应关系，得到其输出组合逻辑真值表，从表中可以看到，Q2Q1Q0从000开始计数并不断加1，每个状态对应一个输出Z。通过真值表可以得到卡诺图，

化简后可以得到输出逻辑函数为：

Q2	Q1	Q0	Z
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1

参考代码如下：

module sequence_signal_counter(input clk, input rst_n, output outD);
//实现001011序列信号产生reg [2:0] counter;always @(posedge clk)	beginif(rst_n == 1'b0)              counter <= 3'b000;else if(counter == 3'b101)     counter <= 3'b000;else                      counter <= counter + 1'b1;endassign outD = ((~counter[0]) & counter[1]) | counter[2];
endmodule

参考方法二：寄存器方式实现的序列信号产生器。

利用6位移位寄存器方式实现序列信号产生器，在输入端din输入任意序列，通过移位寄存器，使得输入信号的最高位移入最低位，其他各位依次向左移一位，在每个时钟上升沿到来时，将输入信号的最高位通过dout输出，从而循环产生序列信号。

module sequence_signal_shifter(input clk, input rst, input [5:0] din, output outD); reg dout;reg [5:0] temp;assign outD=dout;always@(posedge clk)beginif(rst == 1'b0)temp <= din;elsebegindout <= temp[5];temp <= {temp[4:0], temp[5]};endend
endmodule

参考方法三：利用有限状态机构造序列信号产生器。关于状态图和状态机的构造可以参考下面序列检测器的内容。

module sequence_signal_FSM(input clk, input rst_n, output outD);//有限状态机方式实现010011序列信号产生器reg dout;  reg [2:0] pre_state, next_state;  parameter s0 = 3'b000, s1 = 3'b001, s2 = 3'b010,  s3 = 3'b011, s4 = 3'b100, s5 = 3'b101;  assign outD=dout;always @(posedge clk or negedge rst_n)  begin  if(rst_n == 0)     pre_state <= s0;  //让初始为输出0的状态，观察与设为s5的区别else             pre_state <= next_state;  end  always @(pre_state)  begin  case(pre_state)  s0:  begin  dout = 1'b0;  next_state <= s1;  end  s1:  begin  dout = 1'b1;  next_state = s2;  end  s2:  begin  dout = 1'b0;   next_state = s3;  end  s3:  begin  dout = 1'b0;next_state = s4;  end  s4:  begin  dout = 1'b1;next_state = s5;  end  s5:  begin  dout = 1'b1;next_state = s0;  end  default: next_state = s0;  endcase  end  
endmodule

0x01 序列检测器

设计一个序列检测器，检测序列为11010

a、画出状态转换图；

b、基于Verilog语言完成设计，结合序列发生器，编写顶层文件，在vivado中验证并给出整体test bench结果（波形图）

下面讨论状态机的设计方法：

在“11010”序列检测器中，有6个状态，如果加上一个Idle状态，共7个状态，最初的状态分析如下表：

input NS/out PS	0	1
IDLE	0/0	1/0
0	0/0	1/0
1	0/0	11/0
11	110/0	11/0
110	0/0	1101/0
1101	11010/1	11/0
11010	0/0	1/0
Present State	Next State/Output

对应状态图如图：

 首先考虑是否可以通过状态化简，简化电路结构，减少Verilog代码量。

可以看到状态“Idle”、状态“0”和“11010”在相同的输入下，它们的次态、输出都完全相同，故此三个状态可以化简为一个状态。化简结果如下表和下图。

input NS/out PS	0	1
0	0/0	1/0
1	0/0	11/0
11	110/0	11/0
110	0/0	1101/0
1101	0/1	11/0
Present State	Next State/Output

接下来对化简后的状态进行命名、编码。本例将“0”，“1”，“11”，“110”，“1101”状态分别命名为“S0”，“S1”，“S11”，“S110”，“S1101”。

Verilog参考程序如下：

module sequence_detector(input seq, input clk, input rst,output Z);       // detector "11010"
reg b;
reg [4:0]state;
assign Z=b;
parameter S0  = 5'b1_0000,S1    = 5'b0_1000,S11   = 5'b0_0100,S110  = 5'b0_0010,S1101 = 5'b0_0001;
//状态的记录利用one-hot编码
always @(posedge clk or negedge rst)     //low activeif (!rst) beginstate <= S0;b <= 0;endelse case(state)S0: if( seq == 0)beginstate <= S0;b <= 0;endelsebeginstate <= S1;b <= 0;endS1: if( seq == 0)beginstate <= S0;b <= 0;endelsebeginstate <= S11;b <= 0;endS11: if( seq == 0)beginstate <= S110;b <= 0;endelsebeginstate <= S11;b <= 0;endS110: if( seq == 0)beginstate <= S0;b <= 0;endelsebeginstate <= S1101;b <= 0;endS1101: if( seq == 0)beginstate <= S0;b <= 1;endelsebeginstate <= S11;b <= 0;enddefault state <= 5'bx;endcase
endmodule

Ⅲ. Verilog实现

0x00 序列检测器

设计代码:

module t_11010(reset,clk,x,z);
input reset,clk,x;
output z;
parameter y0=3'b000,y1=3'b001,y2=3'b010,y3=3'b011,y4=3'b100,y5=3'b101;
reg z;
reg [3:1] now,next;
always@(posedge clk)
if(!reset)now<=y0;
else now<=next;always@(x or now)
case(now)
y0:if(x) next=y1;
else next=y0;
y1:if(x) next=y2;
else next=y0;
y2:if(!x)next=y3;
else next=y2;
y3:if(x) next=y4;
else next=y0;
y4:if(!x) next=y0;
else next=y2;
default:next=y0;
endcasealways @(posedge clk)
if(!reset)z<=0;
else if((now==y0)&&(x==0))z<=1;
else z<=0;
endmodule

仿真代码：

module sim_pj1();
reg reset,clk,x;
wire z;
reg[10:0]test;
t_11010 uu1(reset,clk,x,z);
initial begin
clk=0;
reset=0;
test=11'd0;
#100 reset=1;
test=11'b0001_1010_000;
end
always #20 clk=~clk;
always #40
begin
x=test[10];
test={test[9:0],test[10]};
endendmodule

仿真波形：

0x01 序列发生器 

设计代码：

module sequence_signal_FSM(input clk, input rst_n, output outD);//有限状态机方式实现010011序列信号产生器reg dout;  reg [2:0] pre_state, next_state;  parameter s0 = 3'b000, s1 = 3'b001, s2 = 3'b010,  s3 = 3'b011, s4 = 3'b100, s5 = 3'b101;  assign outD=dout;always @(posedge clk or negedge rst_n)  begin  if(rst_n == 0)     pre_state <= s0;  //让初始为输出0的状态，观察与设为s5的区别else             pre_state <= next_state;  end  always @(pre_state)  begin  case(pre_state)  s0:  begin  dout = 1'b0;  next_state <= s1;  end  s1:  begin  dout = 1'b1;  next_state = s2;  end  s2:  begin  dout = 1'b0;   next_state = s3;  end  s3:  begin  dout = 1'b0;next_state = s4;  end  s4:  begin  dout = 1'b1;next_state = s5;  end  s5:  begin  dout = 1'b1;next_state = s0;  end  default: next_state = s0;  endcase  end  
endmodule

仿真代码：

module sim_sequence_signal_FSM();reg clk;reg rst_n;wire outD;sequence_signal_FSM uu1(clk,rst_n,outD);initial beginclk=0;rst_n=1;#30;rst_n=0;#10;rst_n=1;endalways #10 clk=~clk;
endmodule

仿真波形图：