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Verilog设计实例（6）基于Verilog的各种移位寄存器实现

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Verilog设计实例（6）基于Verilog的各种移位寄存器实现在数字电子产品中，移位寄存器是级联的触发器，其中一个触发器的输出引脚q连接到下一个触发器的数据输入引脚（d）。 因为所有触发器都在同一时钟上工作，所以存储在移位寄存器中的位阵列将移位一个位置。 例如，如果一个5位右移寄存器的初始值为10110，并且将移位寄存器的输入绑定到O，则…

写在前面

正文

在数字电子产品中，移位寄存器是级联的触发器，其中一个触发器的输出引脚q连接到下一个触发器的数据输入引脚（d）。 因为所有触发器都在同一时钟上工作，所以存储在移位寄存器中的位阵列将移位一个位置。 例如，如果一个5位右移寄存器的初始值为10110，并且将移位寄存器的输入绑定到O，则下一个模式将为01011，下一个模式将为00101。

5位移位寄存器示意图
5位移位寄存器示意图

移位寄存器的种类有很多，需要根据需求来设计，但万变不离其宗，都是每一个时钟，寄存器阵列移位一次，下面就盘点各种移位寄存器：

  1. 左移位寄存器
  2. 右移位寄存器
  3. 串行输入并行输出移位寄存器
  4. 并行输入串行输出移位寄存器

下面就分别认识下吧。

左移位寄存器

所谓的左移，这里约定成网高位移位，这是因为我们通常定义变量都是：

reg [MSB:LSB] VAR;

高位在左，底位在右，因此左移便是向高位移位。 其实这里还可以继续细分，是循环左移还是非循环的呢？

循环左移寄存器

所谓的循环左移，就是将最高位移位到最低位，次高位作为最高位，依次循环。

电路设计：

以四位循环左移为例，给出电路设计Verilog代码：

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: cycle_left_register
// Additional Comments:
// https://blog.csdn.net/reborn_lee
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


module cycle_left_register #(parameter MSB = 4)(
 input [MSB - 1 : 0] din,
 input i_rst,
 input i_load,
 input i_clk,
 output  [MSB - 1 : 0] dout
    );

 reg [MSB - 1 : 0] dout_mid;
 always@(posedge i_clk) begin
  if(i_rst) begin
   dout_mid <= 'd0;
  end
  else if(i_load) begin
   dout_mid <= din;
  end
  else begin
   dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0], dout_mid[MSB - 1]};
  end
 end
 assign dout = dout_mid;


endmodule

注：里面添加了一个信号，叫装载信号i_load，这个信号有效的时候，将输入din赋值给中间寄存器dout_mid，这样才能实现每一个时钟上升沿来临时，都对输入左移一次。

测试代码

简单给出测试代码：

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: cycle_left_register_tb
// https://blog.csdn.net/reborn_lee
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


module cycle_left_register_tb(

    );
 parameter MSB = 4;

 reg [MSB - 1 : 0] din;
 reg i_rst;
 reg i_clk;
 reg i_load;
 wire [MSB - 1 : 0] dout;

 //generate clock
 initial begin
  i_clk = 0;
  forever begin
   #5 i_clk = ~i_clk;
  end
 end

 //generate rst and input data 
 initial begin
  i_rst = 1;
  din = 0;
  i_load = 0;

  # 22

  i_rst = 0;
  @(negedge i_clk) begin
  din = 'b1011; i_load = 1; end @(negedge i_clk) begin i_load = 0; end repeat(5) @(posedge i_clk); @(negedge i_clk) begin din = 'd0101;
   i_load = 1;
  end
  
  @(negedge i_clk) i_load = 0;

  repeat(4) @(posedge i_clk);

  #10 $finish;

 end

 initial
      $monitor (" i_rst = %0b, i_load = %0b, din = %b, dout = %b", i_rst, i_load, din, dout); cycle_left_register #(.MSB(MSB))inst_cycle_left_register( .i_clk(i_clk), .i_rst(i_rst), .i_load(i_load), .din(din), .dout(dout) ); endmodule

给出仿真结果：

左移位寄存器仿真结果
左移位寄存器仿真结果

监控记录：

 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = xxxx
 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0111
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1110
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0111
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0111
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101

非循环左移寄存器

非循环左移对于循环左移来说，就是最高位不移入最低位，而是丢弃，最低位补零。 修改其中移位语句即可：

dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0], dout_mid[MSB - 1]};

改为：

dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0],1'b0};

行为仿真波形

非循环的左移移位寄存器仿真图
非循环的左移移位寄存器仿真图
 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = xxxx
 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0110
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1100
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0100
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0000

注意事项：

循环移位语句：

dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0],1'b0};

其中的最低位一定要写成1’b0，如果写成了0，即：

dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0],0};

则仿真结果变为：

非循环左移的4位移位寄存器仿真图异常情况
非循环左移的4位移位寄存器仿真图异常情况

这意味着，直接赋值0给dout_mid了。

右移位寄存器

右移位寄存器和左移位寄存器是对称的，就是每一个时钟上升沿到来，都向低位移动一次，这里也必要重新写了，我们只需要改其中某条移位语句即可。

这里又分为循环与不循环，分别点出。

循环右移位

即：

dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0], dout_mid[MSB - 1]};

改为：

dout_mid <= {dout_mid[0], dout_mid[MSB - 1 : 1]};

为了照顾新手，还是给出完整设计代码：

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: cycle_left_register
// Additional Comments:
// https://blog.csdn.net/reborn_lee
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


module shift_register #(parameter MSB = 4)(
 input [MSB - 1 : 0] din,
 input i_rst,
 input i_load,
 input i_clk,
 output  [MSB - 1 : 0] dout
    );

 reg [MSB - 1 : 0] dout_mid;
 always@(posedge i_clk) begin
  if(i_rst) begin
   dout_mid <= 'd0;
  end
  else if(i_load) begin
   dout_mid <= din;
  end
  else begin
   // dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0], 1'b0}; // normal left shift
   // dout_mid <= {dout_mid[MSB - 2 : 0], dout_mid[MSB - 1]}; //cycle left shift
   dout_mid <= {dout_mid[0],dout_mid[MSB - 1 : 1]};
  end
 end
 assign dout = dout_mid;


endmodule

仿真波形：

由于仿真文件和上述的循环左移一致，就改一下例化即可，这里就没必要给出了 ，直接给出仿真波形：

循环右移寄存器仿真波形
循环右移寄存器仿真波形

监控记录

 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = xxxx
 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1110
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0111
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1101
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 1101
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 1010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101

非循环右移寄存器

相对于循环右移寄存器来说，只需要改动为：最高位补零即可。 即： 将移位语句：


dout_mid <= {dout_mid[0],dout_mid[MSB - 1 : 1]};

改为：

dout_mid <= {1'b0,dout_mid[MSB - 1 : 1]};

仿真波形为：

非循环右移寄存器
非循环右移寄存器

监控记录

 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = xxxx
 i_rst = 1, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0000, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 1011
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0001
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 1011, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0000
 i_rst = 0, i_load = 1, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0101
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0010
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0001
 i_rst = 0, i_load = 0, din = 0101, dout = 0000

串行输入并行输出移位寄存器

3位串行输出并行输出移位寄存器示意图
3位串行输出并行输出移位寄存器示意图

该移位寄存器设计具有五个输入和一个n位输出，并且使用参数MSB对设计进行参数化以表示移位寄存器的宽度。 如果MSB为4，则它成为4位移位寄存器。 如果MSB为8，则它成为8位移位寄存器。 该移位寄存器具有一些关键功能。

  • 可通过驱动设计的en信号来启用或禁用
  • 驱动dir时可左右移动
  • 如果将rstn拉为低电平，则会重置移位寄存器，输出将变为0
  • 移位寄存器的输入数据值可以通过d引脚控制

因此，这里没有必要再将左移位以及右移位分开来写了，合在一个设计里，通过一个信号dir控制，dir为0，左移，否则，右移！

设计代码


`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: shift_register
// https://blog.csdn.net/reborn_lee
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


module shift_register#(parameter MSB = 8)(
 input i_clk,
 input i_rst,
 input i_dir,
 input i_en,
 input din,
 output reg [MSB - 1 : 0] dout

    );

 always @(posedge i_clk) begin
  if (i_rst) begin
   // reset
   dout <= 'd0;
  end
  else if (i_en) begin
   case(i_dir)
    0: begin //left shift
     dout <= {dout[MSB - 2: 0], din};
    end
    1: begin
     dout <= {din, dout[MSB - 1 : 1]};
    end
   endcase
   
  end
  else begin
   dout <= dout;
  end
 end

endmodule

仿真代码

`timescale 1ns/1ps
module shift_register_tb;
 parameter MSB = 8;

    reg i_clk;
 reg i_rst;
 reg i_dir;
 reg i_en;
 reg din;
 wire [MSB - 1 : 0] dout;

 initial begin
  i_clk = 0;
  forever begin
   # 5 i_clk = ~i_clk;
  end
 end

 initial begin
  i_rst = 1;
  i_en = 0;
  i_dir = 0;
  din = 0;

  # 18
  @(negedge i_clk) begin
   i_rst = 0;
   i_en = 1;
  end

  repeat(8) begin
   @(negedge i_clk) begin
    din = $random;
   end
  end

  @(negedge i_clk) begin
   i_rst  = 1;
      
  end

  #18
  i_rst = 0;
    i_dir = 1;

  repeat(8) begin
   @(negedge i_clk) begin
    din = $random;
   end
  end
  # 20 $finish;


 end



 shift_register #(.MSB(MSB))inst_shift_register (
  .i_clk(i_clk),
  .i_rst(i_rst),
  .i_dir(i_dir),
  .i_en(i_en),
  .din(din),
  .dout(dout)

  );





endmodule

仿真波形

左移
左移
右移
右移

并行输入串行输出移位寄存器

并行输入串行输出的原理图如下：

3位的并行输入串行输出移位寄存器示意图
3位的并行输入串行输出移位寄存器示意图

该电路由三个串联的D触发器组成。 这意味着，一个D触发器的输出被连接为下一个D触发器的输入。 所有这些触发器彼此同步，因为相同的时钟信号被施加到每个触发器。

在该移位寄存器中，我们可以通过将Preset Enable（预置使能）设为1，将并行输入应用于每个D触发器。对于时钟信号的每个正沿触发，数据都会从一个级转移到下一个级。 因此，我们将从最右边的D触发器获取串行输出。

于此同时，我们仍然设置一个控制方向的使能信号i_dir，如果i_dir为0，则并行输出左移，取最高位作为串行输出；否则，右移，取最低位作为串行输出。

电路设计


//paralell input and serial output shift register
module shift_register#(parameter MSB = 4)(
 input i_clk,
 input i_load,
 input i_dir,
 input [MSB - 1 : 0] din,
 output dout
 );

 reg [MSB - 1 : 0] q_mid = 0;
 always@(posedge i_clk) begin if(i_load) begin q_mid <= din;
   end else begin case(i_dir) 1'b0: begin q_mid <= {q_mid[MSB - 2 : 0], 1'b0}; //no cycle
    end
    1'b1: begin
     q_mid <= {1'b0, q_mid[MSB - 1 : 1]}; //no cycle
    end

    endcase
    
   end
 end

 assign dout = i_dir ? (q_mid[0]) : (q_mid[MSB - 1]);


endmodule

仿真文件

`timescale 1ns/1ps
module shift_register_tb;
 parameter MSB = 4;

    reg i_clk;
 reg i_dir;
 reg i_load;
 reg [MSB - 1 : 0] din;
 wire  dout;

 initial begin
  i_clk = 0;
  forever begin
   # 5 i_clk = ~i_clk;
  end
 end

 initial begin
  i_load = 0;
  i_dir = 0;
  din = $random;

  # 18
  @(negedge i_clk) begin
   i_load = 1;
  end

  @(negedge i_clk) i_load = 0;


  repeat(3) @(negedge i_clk); //finish shift output 


  din = $random;
  i_load = 1;

  @(negedge i_clk) i_load = 0;
  i_dir = 1;
  
  repeat(3) begin
   @(negedge i_clk);
  end
  # 20 $finish;


 end

// Monitor values of these variables and print them into the logfile for debug
   initial
      $monitor ("i_load=%0b, i_dir=%0b, din=%b,   dout = %0b", i_load, i_dir, din, dout); shift_register #(.MSB(MSB))inst_shift_register( .i_clk(i_clk), .i_dir(i_dir), .i_load(i_load), .din(din), .dout(dout) ); endmodule
4bit并行输入串行输出移位寄存器
4bit并行输入串行输出移位寄存器

监控数据

i_load=0, i_dir=0, din=0100,   dout = 0
i_load=1, i_dir=0, din=0100,   dout = 0
i_load=0, i_dir=0, din=0100,   dout = 0
i_load=0, i_dir=0, din=0100,   dout = 1
i_load=0, i_dir=0, din=0100,   dout = 0
i_load=1, i_dir=0, din=0001,   dout = 0
i_load=0, i_dir=1, din=0001,   dout = 1
i_load=0, i_dir=1, din=0001,   dout = 0

参考资料

交个朋友

  • 个人微信公众号：FPGA LAB，左下角二维码；

  • 知乎：李锐博恩，右下角二维码。 在这里插入图片描述

  • FPGA/IC技术交流2020

今天的文章Verilog设计实例（6）基于Verilog的各种移位寄存器实现分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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