手撕Verilog面试题专题——(1)边沿检测

本文介绍了一种使用Verilog实现信号边沿检测的方法,并提供了一个具体的代码示例及仿真测试。该模块能够检测输入信号的上升沿和下降沿,并通过输出脉冲信号来指示这些边沿。

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1 实现信号边沿检测功能,输出一个周期宽度的脉冲信号。

Verilog代码:

module edge_detect(
	input 	clk,
	input	rst,
	input 	din,
	output 	dout1,	//上升沿
	output 	dout2,	//上升沿
	output 	dout3	//上升沿
);
	reg	[1:0]	res;
	always@(posedge clk or negedge rst)	begin
		if(!rst)
			res	<= 2'b00;
		else
			res	<= {res[0], din};	
	end
	
	assign dout1	= (~res[1]) && res[0];
	assign dout2	= res[1] && (~res[0]);
	assign dout3	= res[1] ^ res[0];
	
endmodule

testbench仿真文件:

module edge_detect_tb();
    reg     clk;
    reg     rst;
    reg     din;
    wire    pos_edge;
    wire    neg_edge;
    wire    data_edge;
    
    initial begin
        clk = 0;
        rst = 0;
        din = 0;
        #15 rst = 1;
        #20 din = 1;
        #20 din = 0;
    end
    initial begin
        forever #3 clk = ~clk;
    end
    
    
    edge_detect onedetect(
    .clk(clk),
    .rst(rst),
    .din(din),
    .dout1(pos_edge),
    .dout2(neg_edge),
    .dout3(data_edge)
    );
endmodule

仿真波形:
在这里插入图片描述

<think>嗯,用户想用Verilog实现一个复杂的状态机,主时钟是100MHz,包含几个不同的状态,每个状态下有不同的边沿触发行为。首先,我需要理清楚状态机的各个状态和转换条件。 用户提到的状态有idle、第二状态、第三状态和第四状态。idle状态下需要检测开始信号,一旦检测到就跳转到第二状态。第二状态只在上升沿写入1bit。第三状态需要在上升沿和下降沿各写入1bit,并且维持4个时钟周期。第四状态之后回到idle,等待下一次触发。 首先,状态机的设计需要考虑状态编码。这里可以用参数定义四个状态,比如IDLE, STATE2, STATE3, STATE4。每个状态之间的转换条件是什么?idle到STATE2的条件是检测到start_signal。STATE2可能是在完成某个操作后进入STATE3,比如写入完成后。STATE3需要维持4个时钟周期,可能需要一个计数器,当计数到3(0到3共4个周期)时切换到STATE4。STATE4执行完后回到idle。 然后是时钟的问题。主时钟是100MHz,周期是10ns。在STATE3中,上升沿和下降沿各写入一次,可能需要检测时钟的上升沿和下降沿。不过Verilog中通常用always块来检测边沿,但同一变量不能在多个always块中使用,所以可能需要分频或者生成使能信号。 在STATE3状态下,需要同时在上升沿和下降沿触发动作。这可能需要在状态机中引入双沿检测,但通常状态机是基于单一时钟沿(如上升沿)设计的。处理双沿可能需要内部生成一个双倍频率的时钟,或者使用边沿检测电路。但这样会增加设计的复杂性,或者可以用组合逻辑来检测上升沿和下降沿,并在同一个always块中处理。 另外,STATE3需要维持4个时钟周期,可能需要一个计数器,比如从0计数到3,每个周期递增。当计数器达到3时,状态转换到STATE4。同时,在STATE3中,每个上升沿和下降沿都要写入1bit,所以每个周期会写入两次,共4个周期的话就是8次写入?或者用户的意思是每个边沿写入一次,持续4个时钟周期,那么每个周期有两个边沿,所以总共有8次写入? 可能用户的意思是在STATE3状态下保持4个时钟周期,期间在上升沿和下降沿各写入一次。因此,每个时钟周期内,在上升沿和下降沿各触发一次操作。这时候可能需要一个计数器来计数周期数,每个周期结束时计数器加1,直到达到3(即4个周期)。 然后,第四状态可能只是一个过渡状态,执行某些操作后回到idle。 接下来,编写Verilog代码时需要注意以下几点: 1. 状态寄存器的定义,使用非阻塞赋值。 2. 状态转换逻辑,在always块中根据当前状态和条件跳转。 3. 边沿检测:在STATE2中只在上升沿写入,而STATE3中需要检测上升沿和下降沿。 4. 计数器逻辑,用于STATE3的周期计数。 对于STATE3的双边沿写入,可以有两种处理方式:使用主时钟的上升沿,并在其中检测当前时钟电平,或者生成一个使能信号。但需要注意,Verilog中通常不建议在同一个模块中混合使用上升沿和下降沿触发,因为可能导致时序问题。 可能的解决方案是在主时钟的上升沿触发状态机,并在STATE3中生成一个使能信号,使得在每个主时钟周期内执行两次操作(一次在上升沿,一次在下降沿)。但这样需要内部计数器来跟踪当前是上升沿还是下降沿阶段。例如,在STATE3中,每个主时钟周期分为两个阶段,前半段处理上升沿,后半段处理下降沿,使用一个相位信号来控制。 或者,可以在STATE3中使用主时钟的上升沿和下降沿来触发不同的行为,但需要注意这可能会导致设计中出现多时钟域的问题,增加时序分析的难度。不过,如果主时钟是100MHz,双边沿操作相当于200MHz的数据速率,需要确保硬件支持这样的操作。 在代码中,可能需要使用边沿检测来生成脉冲信号。例如,在STATE3中,当检测到时钟上升沿时执行一次写入,下降沿时执行另一次写入。但如何在同一always块中处理这两个边沿呢?通常,边沿检测是在always块中通过比较当前和之前的时钟信号来实现的。 不过,通常状态机是同步设计,基于单一的时钟边沿。因此,处理双边沿可能需要另外的方法。例如,在STATE3中,使用主时钟的上升沿触发状态机,但内部生成一个两倍速的使能信号,这样在每个主时钟周期内处理两次操作。或者,可以在STATE3中使用两个always块,一个处理上升沿,另一个处理下降沿,但这样可能会导致多驱动问题,需要谨慎处理。 可能更稳妥的方法是,在STATE3中使用主时钟的上升沿触发状态机,但内部维护一个计数器,每个周期递增,并在每个周期内执行两次写入操作(例如,在计数器为偶数时执行一次,奇数时执行另一次)。但这可能不符合用户要求的在上升沿和下降沿各写入一次,而是模拟双边沿的行为。 或者,用户可能希望在每个实际的时钟上升沿和下降沿都进行写入,这需要设计能够响应双边沿的触发器。但一般情况下,这样的设计在FPGA中可能不可行,因为触发器通常是边沿触发的,并且综合工具可能不支持这样的结构。 因此,可能需要调整设计思路,在STATE3中,每个主时钟周期内执行两次操作,通过分频或相位信号来模拟双边沿的效果。例如,生成一个使能信号,在每个主时钟的上升和下降时交替激活,从而在状态机中处理两次写入。 综上所述,代码结构可能包括: - 状态定义:IDLE, STATE2, STATE3, STATE4。 - 状态转换逻辑:根据当前状态和输入信号进行转换。 - 在STATE2中,检测到上升沿时写入一次。 - 在STATE3中,维持4个时钟周期,每个周期在上升沿和下降沿各写入一次。 - 计数器用于跟踪STATE3的持续时间。 - 输出逻辑根据当前状态和计数器生成数据输出和有效信号。 现在需要考虑如何实现STATE3的双边沿写入。例如,在STATE3中,使用一个辅助信号toggle,每个主时钟周期翻转一次。当toggle为0时,在上升沿写入;当toggle为1时,在下降沿写入。不过,这可能需要处理多个边沿,导致时序问题。 另一种方法是,在STATE3中使用两个always块,一个用于上升沿,另一个用于下降沿,但这可能不符合同步设计的最佳实践,并可能导致竞争条件。 或许更简单的方法是,在STATE3中,每个主时钟周期内,在上升沿时执行一次写入,然后生成一个信号在下降沿时执行另一次写入,但需要确保时序正确。 或者,可以认为用户的需求是在每个时钟周期的上升沿和下降沿各写入一次,所以每个周期有两个写入操作。这种情况下,在STATE3中,使用一个计数器从0到3计数,每个周期执行两次写入。例如,在计数器为0时,第一个周期的上升沿和下降沿各写一次,依此类推,直到计数器到3,然后进入STATE4。 但如何在Verilog中实现呢?可能需要将主时钟分成两个相位,或者使用一个高速时钟,但用户的主时钟是100MHz,这可能不可行。 或许用户的实际需求是,在STATE3状态下,持续4个时钟周期,每个周期在上升沿和下降沿各产生一次写操作。因此,每个周期内有两个写操作,总共4个周期的话是8次写操作。 为了实现这一点,可以在STATE3中,使用一个计数器记录已经过去的时钟周期数(每个周期对应主时钟的一个上升沿),当计数器达到3时,进入STATE4。同时,在每个周期内,在上升沿和下降沿各触发一次写操作。例如: 在STATE3的always块中,每个主时钟的上升沿触发状态机,计数器加1。同时,在下降沿触发的另一个always块中检测是否处于STATE3,并执行写操作。但需要注意,这样的跨时钟域处理可能会引起问题,需要同步信号。 另一种方法是,使用主时钟的上升沿来驱动状态机,并在每个状态中生成输出信号。对于STATE3中的双边沿写入,可以在每个主时钟周期内生成两个写使能脉冲,一个在上升沿,另一个在下降沿。例如,使用一个辅助信号来标识当前是上升沿还是下降沿阶段。 或者,可以将主时钟分频为一个双倍频率的时钟,但这可能不适用于100MHz的主时钟,因为FPGA可能不支持这样的高速分频。 综合考虑,可能需要采用以下方法: 在STATE3中,使用主时钟的上升沿触发状态机,并维护一个计数器来计数周期数。同时,在STATE3中,生成一个写使能信号,该信号在每个主时钟的上升沿和下降沿时有效。例如,使用一个寄存器来存储主时钟的反相信号,然后在组合逻辑中检测上升沿和下降沿,并生成相应的写脉冲。 但这可能涉及到组合逻辑中的毛刺问题,因此更安全的方式是在状态机中处理。 例如,在STATE3中: - 在上升沿时,执行一次写入,并设置一个标志位。 - 在下降沿时,如果标志位已设置,执行第二次写入,并清除标志位。 但如何在Verilog检测下降沿呢?通常,这需要另一个always块,但需要注意跨时钟域的问题。 可能更好的方法是使用两个always块:一个在上升沿触发,处理状态转换和计数器;另一个在下降沿触发,处理下降沿时的写入操作。但需要确保两个always块之间的信号同步。 例如: 在上升沿触发的always块中,处理状态转换和计数器,并在上升沿时执行一次写入。 在下降沿触发的always块中,当处于STATE3时,执行另一次写入。 但需要注意的是,这样的设计可能导致多驱动问题,特别是如果写入操作涉及同一个寄存器。因此,可能需要将写入操作分解为两个不同的步骤,或者使用不同的寄存器来暂存数据。 不过,根据用户的问题描述,写入的是1bit的数据,可能是在每个边沿将数据输出到一个信号上,并伴随一个有效信号。例如,data_out和data_valid,其中在每次写入时data_valid拉高一个时钟周期(或半个周期?)。 但通常,在同步设计中,数据有效信号应该持续至少一个时钟周期,以便下游电路能够正确采样。因此,可能需要调整有效信号的生成方式。 可能最终的解决方案是: - 使用状态机基于主时钟的上升沿。 - 在STATE3中,使用一个辅助计数器来计数周期数(0到3)。 - 在STATE3的每个周期内,生成两个写使能信号,一个在上升沿,另一个在下降沿。 - 使用边沿检测来生成这些使能信号。 不过,这可能需要更复杂的逻辑,例如在STATE3中,当处于上升沿时,写一次,并启动一个定时器,在半个周期后(即下降沿)写第二次。但这在Verilog中可能需要使用延迟语句,而这样的延迟在综合时会被忽略,因此不可行。 因此,可能需要在状态机中处理双边沿写入,通过生成一个内部信号来指示当前处于上升沿还是下降沿阶段。例如,在STATE3中,每个主时钟周期被分为两个阶段:上升沿阶段和下降沿阶段,通过一个toggle信号来切换。这个toggle信号在每次主时钟上升沿时翻转,从而在第一个半周期处理上升沿写入,第二个半周期处理下降沿写入。 但如何在Verilog中实现这一点呢?例如: 在上升沿触发的always块中,当进入STATE3时,toggle信号初始化为0。在每个主时钟周期,toggle信号翻转。当toggle为0时,表示处于上升沿阶段,执行一次写入;当toggle为1时,表示处于下降沿阶段,执行另一次写入。但这样,每个主时钟周期内会处理两次写入,而状态机仍然在上升沿触发。这可能需要在状态机内部维护toggle信号,并根据其值来决定是否执行写入。 例如: 在STATE3中: - 每当主时钟上升沿到来时,toggle <= ~toggle; - 如果 toggle为0,执行上升沿写入; - 如果 toggle为1,执行下降沿写入; 但这样的话,每个主时钟上升沿会切换toggle,并在同一周期内根据toggle的值执行不同的写入操作。这样,每个主时钟周期内会执行两次写入,但实际只会在上升沿时处理一次,因为状态机是基于上升沿触发的。因此,这可能无法真正实现在下降沿时的写入。 看来这个问题可能需要更深入的思考。或许用户的需求不需要严格的上升沿和下降沿触发,而是每个周期内进行两次写入,而不管实际的边沿时间。这种情况下,可以在STATE3中,每个主时钟周期执行两次写入,例如在状态机中使用一个计数器,每次主时钟周期递增,并在每个周期的上升沿处理两次写入,例如在计数器为偶数时和奇数时各写入一次。这样,虽然不是在真正的下降沿触发,但可以模拟出每个周期两次写入的效果。 例如,在STATE3中: - 使用一个位计数器,0或1。 - 每次主时钟上升沿,位计数器翻转。 - 当位计数器为0时,执行第一次写入; - 当位计数器为1时,执行第二次写入; - 同时,周期计数器在每次位计数器回到0时递增,直到达到3。 这样,每个主时钟周期内会有两次写入,分别对应位计数器的0和1。周期计数器每两个位计数器周期(即一个主时钟周期)递增一次,直到达到3,表示4个主时钟周期,共8次写入。 这种方法可以避免处理真正的下降沿,而是在状态机内部模拟双边沿的效果。这可能更符合实际的可综合设计。 总结,状态机的设计步骤如下: 1. 定义状态:IDLE, STATE2, STATE3, STATE4。 2. 状态转换: - IDLE → STATE2:当start_signal为高。 - STATE2 → STATE3:在写入完成后(可能需要一个条件,比如直接转换)。 - STATE3 → STATE4:当周期计数器达到3。 - STATE4 → IDLE:可能立即转换或完成某些操作后。 3. 在STATE2中,在上升沿写入1bit。 4. 在STATE3中,每个主时钟周期内执行两次写入,通过位计数器实现。 5. 周期计数器在STATE3中计数到3,表示4个主时钟周期。 6. STATE4可能不需要特殊操作,直接回到IDLE。 现在,编写Verilog代码的大致框架: 模块定义,输入包括clk(100MHz)、rst_n、start_signal,输出可能包括data_out和data_valid。 状态寄存器使用独热码或二进制编码。这里使用参数定义四个状态。 在always块中,基于时钟上升沿和复位信号处理状态转换。 在STATE2中,检测到start_signal后进入STATE2,并在该状态下执行一次上升沿写入,然后转换到STATE3。 在STATE3中,维护周期计数器(0-3)和位计数器(0-1)。每个时钟上升沿,位计数器翻转。当位计数器回到0时,周期计数器递增。当周期计数器达到3,进入STATE4。 在STATE4中,立即转换回IDLE。 输出逻辑根据当前状态和位计数器生成data_out和data_valid。 例如,在STATE2中,data_valid在进入该状态后的第一个时钟上升沿拉高,写入1bit。然后转换到STATE3。 在STATE3中,每次位计数器变化时(即每个主时钟上升沿),根据位计数器的值决定是否在上升沿或下降沿模拟写入。例如,当位计数器为0时,在第一个半周期写入,为1时在第二个半周期写入。但实际上,由于Verilog是基于事件的,可能需要用组合逻辑来生成data_valid脉冲。 不过,这样的设计可能无法精确控制写入的时机,但可以保证每个主时钟周期内有两个写入操作。 最终,代码可能如下: module state_machine ( input clk, input rst_n, input start_signal, output reg data_out, output reg data_valid ); parameter IDLE = 2'b00; parameter STATE2 = 2'b01; parameter STATE3 = 2'b10; parameter STATE4 = 2'b11; reg [1:0] state; reg [1:0] next_state; reg [1:0] cycle_count; reg bit_count; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin state <= IDLE; cycle_count <= 0; bit_count <= 0; end else begin state <= next_state; if (state == STATE3) begin bit_count <= ~bit_count; if (bit_count) begin cycle_count <= cycle_count + 1; end end else begin cycle_count <= 0; bit_count <= 0; end end end always @(*) begin case (state) IDLE: next_state = start_signal ? STATE2 : IDLE; STATE2: next_state = STATE3; // 假设立即转换 STATE3: next_state = (cycle_count == 2'd3) ? STATE4 : STATE3; STATE4: next_state = IDLE; default: next_state = IDLE; endcase end always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin data_out <= 0; data_valid <= 0; end else begin case (state) IDLE: begin data_out <= 0; data_valid <= 0; end STATE2: begin data_out <= 1; data_valid <= 1; end STATE3: begin data_valid <= 1; if (bit_count) begin data_out <= 0; // 下降沿写入0 end else begin data_out <= 1; // 上升沿写入1 end end STATE4: begin data_out <= 0; data_valid <= 0; end endcase end end endmodule 不过,这段代码可能需要调整。例如,在STATE3中,data_out在上升沿和下降沿分别写入不同的值,但实际可能需要根据用户需求来定。用户可能只是需要写入1bit的数据,可能每次都是相同的值,或者根据某种规则变化。 另外,在STATE2中,可能需要在进入STATE2后的第一个时钟上升沿写入,然后保持该状态一个周期,然后转换到STATE3。否则,可能立即转换导致data_valid只持续一个周期。 此外,STATE3中的计数器逻辑可能需要调整,以确保周期计数器在每两个bit_count周期(即一个主时钟周期)后递增一次。 因此,可能需要修改计数器逻辑,使得cycle_count在bit_count为1时递增,即每个主时钟周期递增一次。 另外,在STATE3中,需要维持4个主时钟周期,所以cycle_count应该计数到3(0到3共4个周期)。当cycle_count达到3时,进入STATE4。 在输出逻辑中,data_valid应该在STATE2和STATE3中拉高,而在其他状态拉低。 此外,用户可能希望每个边沿写入不同的数据,或者在每个边沿写入相同的位,这需要根据具体情况调整。 例如,在STATE2中,只在上升沿写入一次,比如data_out置1并保持一个周期,然后转到STATE3。 在STATE3中,每个主时钟周期内,上升沿写入1,下降沿写入0,或者交替写入不同的值。但用户的具体需求不明确,可能需要假设每次写入一个特定的值。 最终,可能需要根据用户的描述调整输出逻辑,确保每个边沿的写入操作正确。 可能用户的需求是,在STATE2中,仅在进入后的第一个上升沿写入1bit,然后转到STATE3。在STATE3中,每个上升沿和下降沿各写入1bit,例如在上升沿写1,下降沿写0,持续4个时钟周期。然后在STATE4中执行某些操作后回到IDLE。 综上,需要仔细设计状态转换和输出逻辑,确保符合用户的要求,并考虑Verilog的可综合性和时序约束。</think>### Verilog 状态机实现方案 根据需求设计包含四个状态的有限状态机(FSM),使用非阻塞赋值和同步复位,主时钟频率 100MHz(周期 10ns)。 #### 状态定义与转换 ```verilog module fsm_controller( input clk, // 100MHz 时钟 input rst_n, // 低电平复位 input start_signal, // 触发信号 output reg [1:0] data_out, // 输出数据 output reg data_valid // 数据有效标志 ); // 状态编码 parameter IDLE = 2'b00; parameter STATE2 = 2'b01; parameter STATE3 = 2'b10; parameter STATE4 = 2'b11; reg [1:0] current_state; reg [1:0] next_state; reg [3:0] cycle_counter; // 状态3周期计数器 reg edge_flag; // 双边沿标志位 // 状态寄存器 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) current_state <= IDLE; else current_state <= next_state; end ``` #### 状态转移逻辑 ```verilog // 状态转移条件 always @(*) begin case (current_state) IDLE: next_state = (start_signal) ? STATE2 : IDLE; STATE2: next_state = STATE3; // 检测到上升沿后立即转移 STATE3: next_state = (cycle_counter == 3) ? STATE4 : STATE3; STATE4: next_state = IDLE; default: next_state = IDLE; endcase end ``` #### 状态行为控制 ```verilog // 状态行为与计数器 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin data_out <= 2'b00; data_valid <= 0; cycle_counter <= 0; edge_flag <= 0; end else begin case (current_state) IDLE: begin data_valid <= 0; cycle_counter <= 0; end STATE2: begin data_out <= 2'b10; // 上升沿写入特征值 data_valid <= 1; // 拉高有效信号 end STATE3: begin edge_flag <= ~edge_flag; // 双边沿切换标志 if (edge_flag) begin // 下降沿操作 data_out[0] <= 1'b1; cycle_counter <= cycle_counter + 1; end else begin // 上升沿操作 data_out[1] <= 1'b1; end data_valid <= 1; end STATE4: begin data_out <= 2'b11; // 最终状态特征值 data_valid <= 0; // 结束数据有效 end endcase end end endmodule ``` ### 关键设计说明 1. **双边沿检测**:在状态3使用`edge_flag`标志位,通过`posedge clk`检测上升沿后立即翻转标志位,实现伪下降沿检测[^1] 2. **周期控制**:状态3中`cycle_counter`从0计数到3,共维持4个时钟周期(40ns) 3. **输出同步**:`data_valid`信号在状态2和状态3期间持续有效,符合数字系统握协议规范 4. **时序安全**:所有信号变更都在时钟上升沿同步执行,避免亚稳态问题[^2]
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