FPGA移位寄存器实验

该实验详细介绍了如何使用Quartus 18.1进行FPGA移位寄存器的设计,包括模块代码和顶层文件的编写。通过调用ip核实现了移位寄存器的功能,能够在模式信号和移位信号的控制下实现数据的右移、左移和并行输入。测试结果显示,当输入信号和模式设置为特定值时,输出信号能正确响应。

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FPGA移位寄存器实验

实验目的

(1)熟悉Quatus18.1的软件应用
(2)熟悉ip核的调用
(3)学习和熟悉移位寄存器的设计

实验环境

Quartus Prime 18.1标准版
Cyclone IV EP4CE6F17C8
测试工具:Signal Tap、In-Systeam Source and Probes Editor

实验原理:

1)系统原理
移位寄存器需要将寄存器中的各位数据在移位控制信号的作用下,依次向高位或地位进行移位。
2)电路原理图
定义输入信号:din、ds;
定义模式信号:mode;
定义输出信号:dout;
其中调用ip核得到的RTL视图如下:

移位寄存器实验RTL视图

3)代码实现
模块代码:

module shift_reg(

	input				rst_n		,
	input				clk		,
	input	[3:0]		din		,
	input	[1:0]		mode		,
	input				ds			,
	
	output	[3:0] dout
);

	reg [3:0] data_r			;
	
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		data_r<=0;
	else	begin
		case({mode,ds})
				3'b000:data_r <= data_r;//保持
				3'b001:data_r <= data_r;//保持
				3'b010:data_r <= {1'b0,data_r[3:1]};//右移 移入0
				3'b011:data_r <= {1'b1,data_r[3:1]};//右移 移入1
				3'b100:data_r <= {data_r[2:0],1'b0};//左移 移入0
				3'b101:data_r <= {data_r[2:0],1'b1};//左移 移入1
				3'b110:data_r <= din;//并行输入
				3'b111:data_r <= din;//并行输入
				default:data_r <= data_r;
		endcase
	end

assign		dout = data_r ;

endmodule

顶层文件代码:

module top(

	input					clk	,
	input					rst_n	,
	
	output	[3:0]		dout
);

	wire	[3:0]			din	;
	wire	[1:0]			mode	;
	wire					ds		;

shift_reg u_shift_reg(

	.rst_n(rst_n	),	
	.clk	(clk		),	
	.din	(din		),
	.mode	(mode		),
	.ds	(ds		),
	.dout (dout		)
	
);

	issp u_issp (
		.source ({din,mode,ds}), // sources.source
		.probe  (dout			 )   //  probes.probe
	);



endmodule

4)测试结果

打开In-Systeam Source and Probes Editor测试软件。
其中的source[0]对应是输入信号ds;
其中的source[1]对应是模式信号mode[0];
其中的source[2]对应是模式信号mode[1];
其中的source[3]对应是输入信号din[0];
其中的source[4]对应是输入信号din[1];
其中的source[5]对应是输入信号din[2];
其中的source[6]对应是输入信号din[3];

而后,我们将输入信号ds、模式信号mode[0]、模式信号mode[1]、信号按键din[0]都置为1时,输出信号dout也为1h.如下图:
在这里插入图片描述

### FPGA移位寄存器的实现方法及原理 #### 移位寄存器的基本概念 移位寄存器是一种重要的数字电路组件,其主要功能是存储和移位数据。在FPGA中,可以通过硬件描述语言(HDL),如Verilog HDL,来设计和实现移位寄存器。一个典型的移位寄存器由多个触发器组成,这些触发器通过级联的方式连接在一起[^1]。 #### 原理概述 移位寄存器的核心在于利用触发器的存储特性以及它们之间的级联关系,在每一个时钟周期内完成数据的移动操作。具体来说,当一个时钟信号到达时,当前触发器中的数据会被传递到下一个触发器中,从而形成整体的数据左移或右移效果[^3]。 #### Verilog 实现方式 以下是使用 Verilog HDL 编写的一个简单移位寄存器的例子: ```verilog module shift_register #(parameter WIDTH=8)( input wire clk, // 时钟信号 input wire reset_n, // 复位信号 (低电平有效) input wire load_data, // 加载数据控制信号 input wire [WIDTH-1:0] data_in, // 输入数据 output reg [WIDTH-1:0] q // 输出数据 ); always @(posedge clk or negedge reset_n) begin if (!reset_n) begin q <= {WIDTH{1'b0}}; // 清零所有寄存器 end else if (load_data) begin q <= data_in; // 将外部数据加载到寄存器中 end else begin q <= {q[WIDTH-2:0], 1'b0}; // 数据向左移一位 end end endmodule ``` 上述代码定义了一个宽度为 `WIDTH` 的移位寄存器模块。该模块支持三种基本操作模式:清零、加载新数据和执行移位操作。其中,`clk` 是时钟输入信号;`reset_n` 是异步复位信号;`data_in` 表示要加载的新数据;而 `q` 则表示最终输出的结果。 #### 设计要点分析 1. **同步与时序管理** 在实际应用中,为了确保整个系统的稳定性,通常会采用同步机制处理所有的状态转换过程。这意味着只有当时钟边沿到来时才会更新内部的状态变量[^2]。 2. **方向选择灵活性** 上述例子展示的是单向(左侧)移位的情况。如果需要双向(既能左又能右)或者环形移位,则可以在原有基础上增加额外的选择逻辑并调整赋值语句的形式。 3. **初始化与错误恢复能力** 提供良好的初始条件设置对于复杂系统尤为重要。这里我们设置了默认情况下全部置零的行为作为标准做法之一。 ---
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