几个常见的FPGA问题之序列发生器、编码器、D触发器

几个常见的FPGA问题之序列发生器、编码器、D触发器

语言 :Verilg HDL 、VHDL
EDA工具: Vivado

      • 几个常见的FPGA问题之序列发生器、编码器、D触发器
      • 一、引言
      • 二、背景
        • 1、序列发生器(Sequence Generator)
        • 2、编码器(Encoder)
        • 3、D触发器(D Flip-Flop)
      • 二、问题及解决方案
        • 1. 序列发生器(Sequence Generator)
          • (1)问题
          • (2)解答
        • 2. 编码器(Sequence Generator)
          • (1)问题
          • (2)解答
          • (3)代码
          • (4)仿真代码
          • (5)结果
        • 3. D触发器(D Flip-Flop)
          • (1)问题
          • (2)仿真代码
          • (5)结果
        • 三、结尾

  • 关键词: 调用,Verilog HDL,序列发生器、编码器、D触发器

一、引言

FPGA(现场可编程门阵列)是一种灵活的硬件平台,它允许设计者根据需要实现数字逻辑电路。本文讲述几个FPGA常见的问题——序列发生器、编码器、D触发器,以及将对应的FPGA工程附在最后。在FPGA设计中,序列发生器、编码器和D触发器是三种常见的基本构件,它们各自有不同的用途和可能遇到的问题。

二、背景

1、序列发生器(Sequence Generator)

(1) 用途

序列发生器用于生成特定的二进制序列,这些序列可以是线性反馈移位寄存器(LFSR)生成的伪随机序列,或者计数器生成的递增或递减序列。

(2) 常见问题

I 初始状态设置错误可能导致序列不正确。
II 时钟域交叉问题,如果序列发生器的时钟与其他部分不同步,可能会导致元器件损坏或数据错误。
III 频率不匹配,如果序列发生器的输出速率与系统其他部分不兼容,可能会导致数据丢失或处理延迟。

2、编码器(Encoder)

(1)用途

编码器用于将输入信号编码成特定的格式,例如将二进制数转换为格雷码或将并行数据转换为串行数据。

(2)常见问题

I 输入信号的同步问题,如果输入信号与FPGA的时钟不同步,可能会导致错误的编码输出。
II 编码冲突,特别是在多对一的编码中,不同的输入组合可能产生相同的输出,需要通过设计来避免。
III 资源消耗,复杂的编码器可能需要较多的逻辑资源和布线资源。

3、D触发器(D Flip-Flop)

(1)用途

D触发器是一种基本的存储单元,它在时钟边沿到来时捕获并存储输入信号D的值,然后在下一个时钟周期提供给输出Q。

(2)常见问题

I 建立时间和保持时间违规,如果输入信号在时钟边沿之前没有稳定的建立时间,或者在时钟边沿之后没有保持足够时间,可能会导致数据错误。
II 亚稳态问题,D触发器在某些条件下可能会进入亚稳态,此时输出在一段时间内不确定,需要采取措施避免或解决。
III 时钟偏斜,如果D触发器的时钟信号与其他部分存在偏斜,可能会导致数据同步问题。

二、问题及解决方案

1. 序列发生器(Sequence Generator)
(1)问题

构建工程,实现110100序列发生器,编写仿真代码进行测试。
编写要求:
构建工程流程;
设计过程(分析并画出状态图);
代码有注释;
仿真代码;
仿真结果。

(2)解答

解答:
a) 工作流程
在vivado中选择 add source,增加主工程sequence_generator.v文件,并编写代码, 实现110100序列发生器,最后在vivado中选择 add source 中增加 tb文件,仿真测试110100序列发生器是否正常。
b) 设计过程
使用6个状态,分别检测当前序列是否在 1,10,101,1011,10110和101100,并在最后一个状态输出序列检测成功标志。

在这里插入图片描述
c)代码
sequence_generator模块实现的功能是一个条件触发的序列检测器。具体来说,它检测输入信号data_in的特定序列,并在检测到该序列时产生一个输出脉冲data_out。

module sequence_generator(input  clk     ,input  rst_n   ,input  data_in ,output data_out );parameter   S0 = 3'D0 ; // IDLEparameter   S1 = 3'D1 ; // 1parameter   S2 = 3'D2 ; // 101parameter   S3 = 3'D3 ; // 1011parameter   S4 = 3'D4 ; // 10110parameter   S5 = 3'D5 ; // 101100reg[2:0] c_state ;reg[2:0] n_state ;always@( posedge clk or negedge rst_n)beginif( !rst_n )c_state <= 0 ; elsec_state <= n_state ; endalways@( * )beginif( !rst_n )n_state = 0 ;

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