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数字锁相环(DPLL)研究与设计-面向FPGA/数字IC 摘要本文介绍了数字锁相环（DPLL）的研究与设计，包括其原理、组成、实现方法以及性能评估。文章详细阐述了数字锁相环在数字电路中的应用，并重点介绍了数字鉴相器、数字振荡器和数字缓冲器的设计与实现。关键词：数字锁相环, DPLL, FPGA, 数字IC, 频率合成前言锁相环的原理和组成数字锁相环的原理和组成数字鉴相器设计DPD 数字振荡器(DCO) 数字缓冲器(DB) 数字锁相环(DPLL)的实现电路硬件与性能评估工程代码下载前言随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。所谓数字PLL，就是指应用于数字系统的PLL，也就是说数字PLL中的各个模块都是以数字器件来实现的，是一个数字的电路。数字锁相环的优点是电路最简单有效,可采用没有压控的晶振,降低了成本,提高了晶振的稳定性。但缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身的频率;另外还有一个缺点,就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。随着大规模、超高速的数字集成电路的发展，为数字锁相环路的研究与应用提供了广阔空间。由于晶体振荡器和数字调整技术的加盟，可以在不降低振荡器的频率稳定度的情况下，加大频率的跟踪范围，从而提高整个环路工作的稳定性与可靠性。简单的说有两个不同来源的信号：一个信号是参考信号，这个信号一般是由芯片的晶振得到的信号，它具有信号的稳定性较好等优点，但是其频率是固定不变的。另一个信号是由芯片或者模块内部的压控振荡器得到的。这种由压控振荡器得到的信号可以是某范围内的任意频率的信号，但是这种信号的稳定型较差，容易受到外界干扰。那么在实际使用过程中，我们需要一种频率能够变化的，同时质量较好的信号；或者对于一块芯片，我们需要不同的模块的内部时钟（这种时钟可以是压控振荡器产生）都能参考一个总的时钟来进行同步，从而避免两个模块内部时钟的差异而产生的数据传输的漂移等问题。因此，如何将压控振荡器得到的信号能够具有晶振信号的信号质量呢？那就是通过PLL锁相环来实现，如图1所示。只要压控振荡器产生的时钟（下称输入信号）是参考信号的整数倍（或者整除倍），那么就能将输入信号先进行分频，后得到与参考信号频率相同的时钟，将分频后的信号和参考信号进行比较，从而使分频后的信号和参考信号保持相同的稳定的频率和相位。被分频后的信号稳定，也就是间接的表示输入信号的稳定。从而我们得到了一个频率在一定范围内可变的稳定的信号。有上述可以看出，锁相环具有以下功能：（1）能够将一个信号和另一参考信号同步；（2）当这个信号是输出信号分频后得到的信号，PLL就能够得到参考信号的倍频信号（实际上倍频器很多都是利用了这个功能）；（3）当输入信号频率可变、分频系数可变时，PLL就能够得到在频率一定范围内稳定信号。图片锁相环的原理和组成锁相环（PLL）的作用我们已经大概了解了，其最主要功能的实现，是在于如何将两个频率不同、相位差始终在变化的信号，变成两个相同频率、相同相位的信号。这里引入一个概念，首先我们都知道，对于三角函数，只有两个同频率的三角函数才能比较其相位差。但这里的相位差是指两个正弦函数的初始相位差。而实际上根据三角函数的欧拉定义的理解来看，我们可以把三角函数看做是在某个圆上逆时针运动的点到x轴的距离。那么频率就是点在圆上运动的角速度，频率越大，其运动的角速度越大。相位就是点在圆上的位置，而初始相位就是点在圆上开始运动时的位置。当两个点的运动角速度相同时，我们可以得到两个点的初始位置差，就是两个正弦函数频率相同时，得到初始相位差。这个差值在运动过程中一直是不变的。但是当两个点运动角速度不同时，我们去看它的初始位置差是没有意义的，因为两个点的位置差是一直在变的，而初始位置差只是一个开始的位置差，是个不变的量，所以说对于频率不同的三角函数，我们讨论起初始相位差是没有意义的。但是不代表不能比较某一时刻两个点的位置。也就是相位差，相位是存在的。图片现在我们假设两个点在圆上赛跑，如图3所示，我们想让这两个点角速度相等。那么有一个办法就是以一个点为参考，参考点角速度不变，另一个点是速度可变点。每过一段时间，观察另一个点到参考点的位置，是在前，还是在后。如果在前，就让另一个点速度慢一点；如果在后，就让另一个点速度快一点。就这样不断调整另一个点的角速度，直到每次观察两个点都处于相同的位置。这样我们就可以认为这两个点达到了相同的速度。这种方法就是利用反馈调节来实现两个信号的同频同相。也就是锁相环（PLL）的实现原理。首先通过一个鉴相器来得到两个信号之间的相位差。并根据相位差输出电压信号。然后通过滤波器稳压后得到稳定的电压信号，该信号驱动压控振荡器得到新的频率的信号。当两个信号存在相位差时，电压信号就会改变，从而使受控信号不断变化。直到当两个信号没有相位差时，电压信号不再改变，从而使受控信号保持当前频率，这时，受控信号不再变化了，就叫做受控信号被锁定了。由上所述，一个锁相环由鉴相器、滤波器、振荡器三部分组成。外部输入是参考信号，内部输入和总的输出是受控信号。数字锁相环的原理和组成在数字电路中，原来模拟信号正弦波、余弦波的频率和相位变成了0和1的脉冲信号，那么我们如何理解数字信号中的频率和相位呢？对于脉冲信号来说，我们可以把频率理解为在某固定时间内脉冲出现的个数，为了方便表示，我们把上升沿的出现视为脉冲的出现，把相邻两个脉冲出现的时间t求倒数，就得到了该信号在这个时刻处的信号频率。而对于相位，相位差就是指，存在两个脉冲信号，以一个脉冲信号为参考，在其出现脉冲后，到另一个信号出现脉冲之间的时间差就是相位差，当另一个信号脉冲晚于参考信号脉冲出现的时间，称之为另一个信号的相位滞后于参考信号。当另一个信号的脉冲出现在参考信号之前，称之为另一个信号的相位提前于参考信号。上述是一种较为简单的描述方式，适合初识脉冲信号的读者理解。而实际上，对于脉冲信号的频率、相位等问题，严格来说这样理解有一点点问题，但是对于我们来搭建数字锁相环DPLL来说足够了。其实这种三角函数和信号之间的转化，其根本的原理来源于傅里叶变换，从而我们对一个时间域上的信号（例如脉冲信号）可以进行频率域（其代表的三角函数的合成）上的分析。我们知道了在数字电路中，脉冲信号也有了频率和相位的属性。那么我们的参考信号是以来时钟源的固定频率的信号，因为信号的质量比较好，所以该信号两个脉冲之间的时间差均是相同的，误差很小。我们在参考信号出现上升沿时，观察受控信号此时的状态。如果受控信号为高电平，我们就认为此时受控信号超前于参考信号；反之，如果受控信号是低电平，则认为此时的受控信号滞后于参考信号。当出现超前状态时，鉴相器会输出一个超前信号，超前信号会作用于振荡器，使得振荡器发出的受控信号频率降低。而滞后信号会使振荡器发出的受控信号频率升高，从而实现受控信号频率的反馈调节。如图4所示，当参考信号出现上升沿时，受控信号为低电平，此时输出一个滞后信号。（由于模块只在时钟为上升沿时触发，所以超前信号的触发延迟了半个时钟周期）图片由此我们能够大概了解了数字锁相环中如何看待脉冲信号的频率和相位，如何处理得到相位差以及相位差如何在锁相环中起作用来实现信号频率的反馈控制。同模拟的锁相环（PLL）类似，数字锁相环（DPLL）也是由：数字鉴相器（Digital Phase Detector）、数字缓冲器（Digital Buffer）、数字振荡器（Digital Controlled Oscillator）三个模块构成，其外部输入为参考信号，内部输入和输出为受控信号。下面我们就来具体讨论如何用verilog实现各个模块。数字鉴相器设计DPD 实现一个数字锁相环（DPLL），最重要的部分就是实现数字鉴相器（DPD）和数字振荡器（DF）。并且，这两个模块并不是独立存在的，而是说，数字振荡器的实现方式和数字振荡器的实现方式相互影响。所以只有两个模块共同设计，才能较好的实现一个数字锁相环的功能。首先我们来具体讨论一下一个数字鉴相器应该具有那些功能和特性：顾名思义，数字鉴相器就是能够鉴别两个数字信号相位的差别，并通过信号将这种差别表示出来。由上文我们已经知道了，对于两个矩形方波信号，其相位差可以看做是两个信号先后出现上升沿（或下降沿）之间的时间差。为了方便表示，假设以其中一个信号作为参考信号，另一个信号为受控信号，当参考信号出现上升沿（或下降沿）时，观察另一个信号是否已经出现了上升沿（或下降沿）。如果还未出现上升沿（或下降沿），则叫做“受控信号滞后于参考信号”，或者简称“滞后”；如果已经出现了上升沿（或下降沿），则叫做“受控信号提前于参考信号”，或者简称“提前”。而判断上升沿（或下降沿）是否已经出现，方法就是看当参考信号出现上升沿时，受控信号是1还是0：当受控信号为0，表示上升沿还没出现，所以是“滞后”；当受控信号为1，表示上升沿已经出现，所以是“提前”。对于下降沿也是按照同样的方法考虑。图片目前为止，我们已经有两个输入，参考信号和受控信号；两个输出，滞后信号和提前信号。如何通过verilog实现上述的输入输出关系呢？首先先讲异或与门，通过图4的描述，我们可以很容易看出来：滞后信号是参考信号与受控信号先异或，异或的结果和受控信号相与得到；提前信号是参考信号与受控信号先异或，异或的结果和参考信号相与得到。再加上一个RST的复位信号，我们可以得到如下图5电路：图片根据这个关系，来调节受控信号的频率，从而使受控信号的频率和参考信号最终相同。再考虑，如果按照上述方法调节，当受控信号和参考信号频率相差很大时，就会出现刚开始有一段时间，受控信号的频率是不断变化，不可预知的。这样的调节效果实时性并不好，需要时间来稳定。因此读者想到，如果能够在参考信号出现上升沿时，就让受控信号也出现上升沿，相当于两个人在赛跑时，当一个人从起点出发时，无论另一个人在哪，强制让另一个人也回到原点，两个人一起从原点出发。这样就能使受控信号和参考信号强制达到相同的频率，只是此时受控信号的占空比不是50%。然后再根据滞后和提前信号，调节受控信号的占空比，从而最终达到50%的占空比。按照这种方法，鉴相器就需要一个信号输出来表示上升沿的出现。再考虑到电路中的总的时钟源，我们这里采用触发的方法来实现。同时将上述的异或与门加入到代码中可以得到数字鉴相器的代码。但是在实际运用过程中发现，可能存在着受控信号先出现上升沿，从而过早的出现了提前或者滞后信号，导致数字振荡器的计数器上限呈现一个周期变化的不可控的数值的情况。为了避免这种情况，需要仔细考虑参考信号和受控信号如何生成提前和滞后信号这个问题，而不是简单的用异或来实现。如图6表示这种关系。图片按照上述代码写出来的数字鉴相器，具有更好的性能。根据这个表格，通过类似状态机的方法，来实现提前信号和滞后信号的输出。此外异或门配合D触发器方式也可以实现鉴相器效果仍可应用于本设计中。示例代码如下： module DPD_2 ( input reference_signal, // 参考时钟输入（来自外部晶振或基准源） input controlled_signal, // 反馈时钟输入（来自VCO分频后的时钟） input rst, // 异步复位信号，高电平有效 input clk, output reg lead_signal_wire, // 相位超前指示信号（输出到电荷泵） output reg lag_signal_wire, // 相位滞后指示信号（输出到电荷泵） output bothEdge ); // 延迟寄存器：用于检测两个时钟的到达顺序 reg ref_flag, fb_flag; reg ref_nflag, fb_nflag; reg lead_signal,lead_signal_n; reg lag_signal,lag_signal_n; reg reference_signal_d1,reference_signal_d2; reg controlled_signal_d1,controlled_signal_d2; wire bothEdge_fb; reg fb_flag_d1,fb_flag_d2,fb_nflag_d1,fb_nflag_d2; reg ref_flag_d1,ref_flag_d2,ref_nflag_d1,ref_nflag_d2; always @(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) begin reference_signal_d1 <= 'd0; controlled_signal_d1 <= 'd0; fb_flag_d1 <= 'd0; fb_flag_d2 <= 'd0; fb_nflag_d1 <= 'd0; fb_nflag_d2 <= 'd0; ref_flag_d1 <= 'd0; ref_flag_d2 <= 'd0; ref_nflag_d1 <= 'd0; ref_nflag_d2 <= 'd0; end else begin reference_signal_d1 <= reference_signal; reference_signal_d2 <= reference_signal_d1; controlled_signal_d1 <= controlled_signal; controlled_signal_d2 <= controlled_signal_d1; fb_flag_d1 <= fb_flag; fb_flag_d2 <= fb_flag_d1; fb_nflag_d1 <= fb_nflag; fb_nflag_d2 <= fb_nflag_d1; ref_flag_d1 <= fb_flag; ref_flag_d2 <= ref_flag_d1; ref_nflag_d1 <= ref_nflag; ref_nflag_d2 <= ref_nflag_d1; end end assign bothEdge = reference_signal & (~reference_signal_d1); wire bothEdge_n; assign bothEdge_n = (~reference_signal) & reference_signal_d1; // assign bothEdge_fb = controlled_signal & (~controlled_signal_d1); wire bothEdge_fb_n; //控制下降沿 assign bothEdge_fb_n = (~controlled_signal) & controlled_signal_d1; // // 参考时钟延迟寄存器：在reference_signal上升沿采样 // 功能：标记参考时钟是否到来 always @(posedge reference_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin ref_flag <= 1'b0; // 复位时清零 ref_nflag <= 1'b0; end else begin ref_flag <= 1'b1; // 参考时钟到来后置1 ref_nflag <= 1'b0; end end // 反馈时钟延迟寄存器：在controlled_signal上升沿采样 // 功能：标记反馈时钟是否到来 always @(posedge controlled_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin fb_flag <= 1'b0; // 复位时清零 fb_nflag <= 1'b0; end else begin fb_flag <= 1'b1; // 反馈时钟到来后置1 fb_nflag <= 1'b0; end end // 主逻辑：检测相位关系 - 谁先来谁占优 // 在参考时钟上升沿判断：如果反馈时钟还没来，说明参考超前 always @(posedge reference_signal_d2) begin if (!fb_flag_d2) lag_signal <= 1'b1; // fb_dly为0表示controlled_signal尚未到达，reference_signal超前 else lag_signal <= 1'b0; // fb_dly为1表示controlled_signal已到，两者已对齐或参考滞后 end // 在反馈时钟上升沿判断：如果参考时钟还没来，说明反馈超前（即参考滞后） always @(posedge controlled_signal_d2) begin if (!ref_flag_d2) lead_signal <= 1'b1; // ref_dly为0表示reference_signal尚未到达，controlled_signal超前 else lead_signal <= 1'b0; // ref_dly为1表示reference_signal已到，两者已对齐或反馈滞后 end //下降沿 always @(negedge reference_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin ref_nflag <= 1'b0; // 复位时清零 ref_flag <= 1'b0; end else begin ref_nflag <= 1'b1; // 参考时钟到来后置1 ref_flag <= 1'b0; end end always @(negedge controlled_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin fb_nflag <= 1'b0; // 复位时清零 fb_flag <= 1'b0; end else begin fb_nflag <= 1'b1; // 反馈时钟到来后置1 fb_flag <= 1'b0; end end always @(negedge reference_signal_d2) begin if (!fb_nflag_d2) lag_signal_n <= 1'b1; // fb_dly为0表示controlled_signal尚未到达，reference_signal超前 else lag_signal_n <= 1'b0; // fb_dly为1表示controlled_signal已到，两者已对齐或参考滞后 end // 在反馈时钟上升沿判断：如果参考时钟还没来，说明反馈超前（即参考滞后） always @(negedge controlled_signal_d2) begin if (!ref_nflag_d2) lead_signal_n <= 1'b1; // ref_dly为0表示reference_signal尚未到达，controlled_signal超前 else lead_signal_n <= 1'b0; // ref_dly为1表示reference_signal已到，两者已对齐或反馈滞后 end // 消毛刺逻辑：在任一时钟下降沿清零lead_signal_wire/lag_signal_wire信号 // 防止多脉冲叠加，确保每个周期只产生一个有效脉冲 /* always @(negedge reference_signal or negedge controlled_signal) begin {lead_signal_wire, lag_signal_wire} <= 2'b00; // 在时钟下降沿同时复位两个输出 end */ always @(posedge clk or negedge rst) begin if (!rst) begin lead_signal_wire <= 'b0; lag_signal_wire <= 'b0; end //else if(bothEdge & bothEdge_fb) begin else if((bothEdge & bothEdge_fb) | (bothEdge_n & bothEdge_fb_n)) begin lead_signal_wire <= 'b0; lag_signal_wire <= 'b0; end else begin lead_signal_wire <= lead_signal | lead_signal_n; lag_signal_wire <= lag_signal | lag_signal_n; end end endmodule数字振荡器(DCO) 现在我们已经构造出来了一个数字鉴相器，接下来我们将继续探讨如何实现一个数字振荡器（DCO）。实现一个固定脉冲频率的信号，我们可以通过已知的时钟源，分频得到一定频率范围内的脉冲。具体实现方法就是通过计数器的方式，当出现时钟脉冲时，计数器+1，计数器上限就是分频系数，当计数器的数小于上限的1/2时，输出1，当计数器的数大于上限的1/2时，输出0，当计数器的数超过上限时，计数器归零。这样就能实现对时钟源的分频。根据上述方法，只要改变计数器的上下限，就能改变分频系数，从而改变输出信号的频率。再参考上文受控信号和滞后提前信号的关系，我们就能通过根据滞后提前信号，改变计数器上下限，来实现对受控信号频率的控制。当计数器上限增加时，分频系数增加，频率减小；当计数器上限减小时，分频系数减小，频率增加；因此有：滞后信号——>受控信号的频率小——>增加受控信号的频率——>计数器上限减小提前信号——>受控信号的频率大——>减小受控信号的频率——>计数器上限增加此外根据上述对上升沿触发同步的说法，当出现上升沿触发信号时，受控信号应强制产生上升沿，即受控信号强制从该脉冲周期的开始处开始，即计数器的数回到0从新开始计数。综上所述，再加上复位信号，一个数字振荡器的所有构成就有了。到这里，一个数字锁相环（DPLL）其实就已经能够实现了，因为数字滤波器（DB）只是让受控信号的抗干扰能力更强，如图所示是仿真后的结果：图片数字缓冲器(DB) 下面再介绍一下数字缓冲器，来使受控信号的抗干扰能力更强。前面我们知道了，持续一个时钟周期的提前信号或者滞后信号能够使数字振荡器的计数器上限加一或者减一。当我的预设的数字振荡器的计数器上限与实际的参考信号的频率对应的计数器上限两个数值相差很大时，就有可能出现锁相环调节时间过长等现象。为了解决这种情况，如果能够让原来持续一个周期的提前信号或滞后信号成倍数的增加，变成持续n个周期的提前信号或者滞后信号，就能够使数字振荡器的计数器上限修改更快，从而更快的到达参考频率附近。但是相应的，受控信号的频率精度就会降低。也就是说，牺牲精度，追求速度。同时考虑另外一种情况，如果我对速度要求不高，但是对于精度要求较高，同时在信号传输过程中可能存在干扰，导致接收到的提前信号或滞后信号不是完全真实的信号，此时就可以通过一个累加器，只有接受到n个周期的提前信号，或者滞后信号，才对数字振荡器输出一个进位信号或者借位信号，此时数字振荡器的计数器上限才只加减1，这样就能有效的提高精度，减少信号干扰带来的影响。但是这种做法牺牲了数字锁相换锁定的时间。综上所述，一个时钟周期的提前或滞后信号，对应n个时钟周期的借位或进位信号，是提高锁定速度，降低锁定精度。想法，n个时钟周期的提前或滞后信号，对应一个时钟周期的借位或进位信号，是提高锁定精度，降低锁定速度。因此在实际运用中，应该按照自己的工程需要，合理选择比值。上述过程的实现方法，是通过一个计数器，当接收到一个提前或滞后信号时，计数器加a，当输出一个进位或借位信号时，计数器减b，调节a和b的比值，就能实现上述过程。数字缓冲器的仿真效果： 1、分时效果图片 2、倍时效果图片数字锁相环(DPLL)的实现所有的子模块都已经实现了，剩下的数字锁相环的实现，根据实际的要求，将上述几个模块进行例化就行。例化后的测试结果如图9所示，可以看到受控信号逐渐与参考信号对齐达到锁相环效果。图片为了方便起见，对输出信号进行2分频，再次观察输出结果，输出相当于2倍频了，成功完成PD、DCO、Divider等模块正确设计。图片电路硬件与性能评估图11为电路硬件图从图中可以看出各模块的连接关系，每个模块由基本门电路构成。通过性能优化后的的电路如图12所示。图片利用SMIC180nm工艺进行电路综合，时序报告：周期2ns 图片面积报告：2119um2 图片功耗报告：uw级别图片工程代码下载

FPGA&ASIC # ASIC/FPGA

刘航宇 3年前
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2023-06-20
Microsemi Libero SOC常见问题-FPGA全局网络的设置摘要本文介绍了Microsemi Libero SOC中FPGA全局网络设置的问题，分析了全局布线资源，并提供了将CLKBUF改为INBUF和将INBUF改为CLKBUF的方法，以解决信号全局网络设置问题。关键词：Microsemi, Libero SOC, FPGA全局网络, 引脚分配, INBUF, CLKBUF问题描述最近在一个FPGA工程中分配rst_n引脚时，发现rst_n引脚类型为CLKBUF，而不是常用的INBUF，在分配完引脚commit检查报错，提示需要连接到全局网络引脚上。 Running Global Checker... Error:PLC002:No legal assignment exists for global net rst.n_c. Info:Uhlocking the driver or removing the region constraint for net rst nc may help to satisfy Error:PLC005:Automat ic global net placement failed. 尝试忽略这个错误，直接进行编译，在布局布线时又报错。 Error: PLC002: No legal assignment exists for global net rst_n_c. Error: PLC005: Automatic global net placement failed. Error: Failure when executing Tcl script. [ Line 18 ] 尝试取消引脚锁定LOCK，再次commit检查成功，编译下载正常，但是功能不对，再次打开引脚分配界面，发现是rst_n对应的引脚并不是我设置的那个，看来是CLKBUF的原因。问题分析网络上搜索一些资料后，发现是在一些工程中会出现这个问题，如果rst_n信号连接了许多IP核，和很多自己写的模块，这样rst_n就需要很强的驱动能力，即扇出能力(Fan Out)，而且布线会很长，所以在分配管脚时，IDE自动添加了CLKBUF，来提供更大的驱动能力和更小的延时。那么什么是FPGA的全局时钟网络资源呢？ FPGA全局布线资源简介我们知道FPGA的资源主要由以下几部分组成：可编程输入输出单元（IOB）基本可编程逻辑单元（CLB）数字时钟管理模块（DCM）嵌入块式RAM（BRAM）丰富的布线资源内嵌专用硬件模块。我们重点介绍布线资源，FPGA中布线的长度和工艺决定着信号在的驱动能力和传输速度。FPGA的布线资源可大概分为4类：全局布线资源：芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线长线资源：完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线短线资源：完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线分布式布线资源：用于专有时钟、复位等控制信号线。一般设计中，我们不需要直接参与布线资源的分配，IDE中的布局布线器（Place and Route）可以根据输入逻辑网表的拓扑结构，和用户设定的约束条件来自动的选择布线资源。其中全局布线资源具有最强的驱动能力和最小的延时，但是只能限制在全局管脚上，厂商会特殊设计这部分资源，如Xilinx FPGA中的全局时钟资源一般使用全铜层工艺实现，并设计了专门时钟缓冲和驱动结构，从而使全局时钟到达芯片内部的所有可配置逻辑单元（CLB）、I/O单元（IOB）和选择性块RAM（Block Select ROM）的时延和抖动都为最小。一般全局布线资源都是针对输入信号来说的，如果IDE自动把rst_n引脚优化为了全局网络，而硬件电路设计上却把rst_n分配到了普通管脚上，那么就很麻烦了，要么牺牲全局网络的优势，手动将全局网络改为普通网络，要么为了利用全局网络的优势，修改电路，重新分配硬件引脚。所以如果一些关键的信号确定了，如时钟、复位等，产品迭代修改电路时，不要轻易调整这些关键引脚。 Microsemi FPGA的全局布线资源 Microsemi FPGA的全局时钟管脚编号，我们可以通过官方Datasheet来找到，在手册中关于全局IO的命名规则上，有如下介绍：即只有管脚名称为GFA0/1/2，GFB0/1/2，GFC0/1/2，GCA0/1/2，GCB0/1/2，GCC0/1/2（共18个）才支持全局网络分配，而且，如果使用了GFA0引脚作为全局输入引脚，那么GFA1和GFA2都不能再作为全局网络了，其他GFC等同理，这一点在设计电路时要特别注意。对于Microsemi SmartFusion系列FPGA芯片A2F200M3F-PQ208来说，只有7个，分别是：GFA0-15、GFA1-14、GFA2-13、GCA0-145、GCA1-146、GCC2-151、GCA2-153，引脚分配如下图所示：所以在设计A2F200M3F-PQ208硬件电路时，时钟和复位信号尽量分配在这些管脚上，以获得硬件性能的最大效率。这些全局引脚的延时时间都是非常小的，具体的时间参数可以从数据手册上获得。全局网络改为普通输入像文章开头介绍的情况，IDE自动把rst_n设置为全局网络，而实际硬件却不是全局引脚，应该怎么修改为普通输入呢？即CLKBUF改为普通的INBUF？网络上zlg的教程中使用的是版本较低的Libero IDE 8.0，新版的Libero SoC改动非常大，文中介绍的修改sdc文件的方法已经不能使用了，这里提供新的修改方法——调用INBUF IP Core的方式。这里官方已经考虑到了，在官方提供的INBUF IP Core可以把CLKBUF改为INBUF。在Catalog搜索框中输入：INBUF，可以看到这里也提供了LVDS信号专用的IP Core。拖动到SmartDesign中进行连接或者在源文件中直接例化的方式调用INBUF Core： INBUF INBUF_0( // Inputs .PAD ( rst_n ), // Outputs .Y ( rst_n_Y ) );这两种方法都是一样的。添加完成之后，再进行管脚分配，可以看到rst_n已经是普通的INBUF类型了，可以进行普通管脚的分配，而且commit检查也是没有错误的。普通输入上全局网络如果布局布线器没有把我们要的信号上全局网络，如本工程的CLK信号，IDE自动生成的是INBUF类型，我们想让他变成CLKBUF，即全局网络，来获取最大的驱动能力和最小的延时。那么应该怎么办呢？这里同样要使用到一个IP Core，和INBUF类似，这个IP Core的名称是CLKBUF，同样是在Catalog目录中搜索：CLKBUF，可以看到有CLKBUF开头的很多Core，这里同样也提供了LVDS信号专用的IP Core。可以直接拖动Core到SmartDesign图形编辑窗口：或者是在源文件中以直接例化的方式调用： CLKBUF CLKBUF_0( // Inputs .PAD ( CLKA ), // Outputs .Y ( CLKA_Y ) );这两种方式都是一样的，添加完成之后，再进行管脚分配，可以看到CLKA已经是全局网络了，只能分配在全局管脚上。总结对于不同厂家的FPGA，让某个信号上全局网络的方法都不尽相同，如Xilinx的FPGA是通过BUFG Core来让信号上全局网络，而且还有带使能端的全局缓冲 BUFGCE ， BUFGMUX 的应用更为灵活，有2个输入，可通过选择端选择输出哪一个。所以，信号的全局缓冲设置要根据不同厂商Core的不同来使用。

嵌入式＆系统 FPGA&ASIC IP&SOC设计 # 嵌入式

刘航宇 3年前
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农历4月28日，我的生日，总结2022~2023年！摘要2022-2023年，作者在生活、专业和社交方面均有成长，包括兼职经历和与朋友的互动，同时表达了对母亲的感激和对朋友的感谢。关键词：生日总结, 2022-2023, 生活感悟, 兼职经历, 社交圈子Happy birthday to me! 23岁了。 2022.06-2023.06总结我亲爱的妈妈我的好朋友的礼物祝福 2022.06-2023.06总结 IMG_20230614_233652_edit_641361165565675.jpg图片 IMG_20230614_234108_edit_641284446926624.jpg图片生活本来挺苦的? ，但这一年吃到不少糕点巧克力与饼干?看起来生活也甜甜的? ? ? 。这一年我变得更沉稳了，专业方面软件编程和硬件电路设计都有了一定的进步。这一年做了很多兼职，当过专业课老师、搞过图像处理和单片机程序设计、当过嵌入式助教也去食堂做过志愿者等等。社交方面我没有太大的变化，我的圈子小而纯粹，现有的朋友都很值得很可爱?，常联系呀！23岁，继续加油！继续向前走(•̀ᴗ•́)و ̑̑ 我亲爱的妈妈 Screenshot_20230615_094843_com.tencent.mm_edit_69.jpg图片 Screenshot_20230615_094852_com.tencent.mm_edit_69.jpg图片 Screenshot_20230615_094859_com.tencent.mm_edit_69.jpg图片我的好朋友的礼物 IMG_20230614_160941.jpg图片 IMG_20230614_195059.jpg图片 IMG_20230615_223215.jpg图片祝福这里就太多了，哈哈哈谢谢大家啦！

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刘航宇 3年前
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Microsemi Libero SOC使用示例—建立点灯工程摘要本文介绍了如何使用Microsemi Libero集成开发环境建立点灯工程，通过Verilog编写点灯模块，进行仿真验证，管脚分配，最后下载程序到FPGA芯片，实现LED闪烁。关键词：Microsemi, Libero SoC, FPGA开发, 点灯实验, Verilog嵌入式开发中的Hello World，点灯是再也基础不过的实验了，通过点灯实验，可以了解芯片GPIO的控制和开发环境IDE新建工程的流程，对于FPGA来说，每个IO口几乎一样，所以本篇文章主要学习一下如何基于Microsemi Libero集成开发环境建立一个示例工程，让一个LED以500ms的频率闪烁，以Microsemi SmartFusion系列FPGA——A2F200M3F为例，Microsemi其他系列FPGA芯片过程类似。准备工作软件准备：硬件准备：新建工程的主要步骤1.新建工程 2.添加设计文件 3.仿真验证 4.管脚分配 5.程序下载 Microsemi FPGA的Flash结构准备工作工欲利其事，必先利其器，充分的准备工作很有必要。软件准备： Microsemi Libero SoC集成开发环境，并已经成功注册，软件版本推荐V11.8或更高版本。硬件准备： Microsemi FPGA开发板，主控芯片A2F200M3F-PQ208，其他型号芯片类似。 Flash Pro 4或Flash Pro5下载器，用于给FPGA芯片下载程序和调试。新建工程的主要步骤新建工程，选择芯片型号等新建设计，使用Verilog编写点灯模块。仿真验证，对编写的点灯模块进行时序仿真，来验证是否满足设计需求。综合、管脚分配、布局、布线。生成程序文件，连接开发板，使用FlashPro下载程序到芯片内，观察现象是否和设计的一致。 1.新建工程和大多数IDE一样，选择Project -> New Project，新建一个工程。 image.png图片输入工程名称LED_Blink，选择工程存放的路径，工程名称和路径不要有中文字符和空格，选择源文件的类型Verilog或者VHDL。 image.png图片选择芯片型号，这里选择Microsemi SmartFusion系列下的A2F200M3F芯片，PQ208封装，把鼠标放在所选芯片上，可以查看芯片的详细参数：封装、速度等级、温度范围，内核电压、Flash ROM大小、用户IO数目、RAM大小、Flash ROM大小，ARM Cortex-M3 SoC的外设配置等详细的参数。图片选择IO的电平标准，不同的电平标准，高低电平的电压范围是不同的，这里选择默认的LVTTL。图片是否创建MSS模块，MSS里有PLL和ARM Cortex-M3的使用，以后用到PLL和ARM核时再添加，这里先不选择，以后需要也可以再创建。图片是否导入已经存在的HDL文件，如果已经有一些写好的模块，可以在这里直接导入。图片是否导入已经存在的管脚约束文件，这里选择不添加，我们会在后面通过图形化工具来指定管脚。图片到这里，工程就创建完成了，然后会在存储路径下生成一个和工程名称一样的文件夹，工程相关的所以文件都存放在这里。主要包括以下几个文件夹：图片具体每个文件夹存放的是什么文件，我们在以后的文章再详细介绍。以上的工程配置在创建完工程之后，也可以再次更改，可以通过Project->Project Setting查看或更改配置：图片或者通过点击如下图标来进入配置界面：图片弹出如下窗口，和新建工程是一样的，可以更改FPGA的型号，但只限于同一个系列内。 2.添加设计文件 Microsemi Libero开发环境支持HDL方式和SmarDesign方式来创建设计，HDL方式支持VerilogHDL和VHDL两种硬件描述语言，而SmartDesign方式和Xilinx的Schematic原理图方式是一样的，是通过图形化的方式来对各个模块之间的连接方式进行编辑，两种方式都可以完成设计。由于本实验功能简单，所以以使用Verilog文件为例。创建Verilog文件创建Verilog文件有多种方式，可以直接双击左侧菜单中的Create Design->Create HDL 图片或者点击File->New->HDL，这两种方式都可以创建一个Verilog设计文件，这里选择Verilog文件。图片输入模块名称：led_driver，不用添加.v后缀名，Libero软件会自动添加。源代码： module led_driver( //input input clk, //clk=2MHz input rst_n, //0=reset //output output reg led ); parameter T_500MS = 999999; //1M reg [31:0] cnt; always @ (posedge clk) begin if(!rst_n) cnt <= 32'b0; else if(cnt >= T_500MS) cnt <= 32'b0; else //cnt < T_500MS cnt <= cnt + 32'b1; end always @ (posedge clk) begin if(!rst_n) led <= 1'b1; else if(cnt >= T_500MS) led <= ~led; end endmodule可以看到，代码非常的简单，定义一个计数器，系统时钟为2MHz=500ns，500ms=1M个时钟周期，当计数到500ms时，LED翻转闪烁。 3.仿真验证编写完成，之后，点击对号进行语法检查，如果没有语法错误就可以进行时序仿真了。新建Testbench文件底部切换到Design Hierarchy选项卡，在led模块上右键选择Create Testbechch创建仿真文件，选择HDL格式。图片给创建的testbench文件名一般为模块名后加_tb，这里为：led_driver_tb，因为我们的板子外部晶体为2M，所以这里系统时钟周期为500ns，这个也可以在文件中更改。图片点击OK之后，可以看到，Libero软件已经为我们生成了一些基本代码，包括输入端口的定义，系统时钟的产生，输入信号的初始化等等。我们只需要再增加几行即可。 `timescale 1ns/100ps module led_driver_tb; parameter SYSCLK_PERIOD = 500;// 2MHZ reg SYSCLK; reg NSYSRESET; wire led; //add output reg initial begin SYSCLK = 1'b0; NSYSRESET = 1'b0; end initial begin #(SYSCLK_PERIOD * 10 ) NSYSRESET = 1'b0; //add system reset #(SYSCLK_PERIOD * 100 ) NSYSRESET = 1'b1; //add system set end always @(SYSCLK) //generate system clock #(SYSCLK_PERIOD / 2.0) SYSCLK <= !SYSCLK; led_driver led_driver_0 ( // Inputs .clk(SYSCLK), .rst_n(NSYSRESET), // Outputs .led(led ) //add port // Inouts ); endmodule仿真代码也非常简单，输入信号初始化，NSYSRESET在10个时钟周期之后拉低，100个时钟周期之后拉高。使用ModelSim进行时序仿真仿真代码语法检查无误后，可以进行ModelSim自动仿真，在安装Libero时，已经默认安装了ModelSim仿真软件，并和Libero进行了关联。直接双击Simulate，Libero会自动打开ModelSim。图片可以看到输入输出信号，已经为我们添加好了：图片先点击复位按钮，复位系统，然后设置要运行的时间，由于设计的是500ms闪烁一次，这里我们先运行2s，即2000ms，在ModelSim中2秒已经算是很长的时间了，然后点击时间右边的运行按钮，耐心等待，停止之后就会看到led按500ms变化一次的波形了，如下图所示，可以再添加一个cnt信号到波形观察窗口，可以看到cnt周期性的变化。图片使用2个光标的精确测量，可以看出，led每隔500ms翻转一次，说明程序功能是正确的。 4.管脚分配与STM32等MCU不同，FPGA的引脚配置非常灵活，如STM32只有固定的几个引脚才能作为定时器PWM输出，而FPGA通过管脚分配可以设置任意一个IO口输出PWM，而且使用起来非常灵活，这也是FPGA和MCU的一个区别，当然其他的功能，如串口外设，SPI外设等等，都可以根据需要自己用HDL代码来实现，非常方便。时序仿真正常之后，就可以进行管脚分配了，即把模块的输入输出端口，真正的分配到芯片实际的引脚上，毕竟我们的代码是要运行在真正的芯片上的。打开引脚配置图形化界面双击Create/Edit I/O Attributes，打开图形化配置界面，在打开之前，Libero会先进行综合(Synthesize)、编译(Complie)，当都运行通过时，才会打开配置界面。图片分配管脚管脚可视化配置工具使用起来非常简单：引脚号指定、IO的电平标准，内部上下拉等等，非常直观。把时钟、复位、LED这些管脚分配到开发板原理图中对应的引脚，在分配完成之后，可以点击左上角的commit and check进行检查。图片在分配完成之后，为了以后方便查看已经分配的引脚，可以导出一个pdc引脚约束文件，选择Designer窗口下的File->Export->Constraint File，会导出一个led_driver.pdc文件，保存在工程目录下的constraint文件夹。图片一些特殊管脚的处理 SmartFusion系列的FPGA芯片，在分配个别引脚，如35-39、43-47这些引脚时，直接不能分配，这些引脚属于MSS_FIO特殊引脚，具体怎么配置为通用IO，可以查看下一篇文章。而新一代的SmartFusion 2系列的FPGA芯片则没有这种情况。 5.程序下载管脚分配完成之后，连接FlashPro下载器和开发板的JTAG接口，关闭Designer窗口，选择Program Device，耐心等待几分钟，如果连接正常，会在右侧输出编程信息：擦除、验证、编程等操作，下载完成之后，就会看到板子上的LED闪烁起来了。 Microsemi FPGA的Flash结构和Altera、Xilinx不同，Microsemi FPGA在下载程序时，并不是下载程序到SPI Flash，而是直接下载到FPGA内部的。目前，FPGA 市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera 生产的 FPGA 都是基于 SRAM 工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电时，FPGA 将外部存储器中的数据读入片内 RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后 FPGA 恢复为白片，内部逻辑消失。这样 FPGA 不仅能反复使用，还无需专门的 FPGA编程器，只需通用的 EPROM、PROM 编程器即可。而Microsemi的SmartFusion、SmartFusion2、ProASICS3、ProASIC3E系列基于Flash结构，具备反复擦写和掉电后内容非易失性，因此基于Flash结构的FPGA同时具备了SRAM结构的灵活性和反熔丝结构的可靠性，这种技术是最近几年发展起来的新型FPGA实现工艺，目前实现的成本还偏高，没有得到大规模的应用。示例工程下载基于Libero V11.8.2.4的工程下载： LED_Blink.rar 下载地址：https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/Libero/Libero-2/LED_Blink.rar 提取码：

嵌入式＆系统 FPGA&ASIC IP&SOC设计 # ASIC/FPGA # 嵌入式 # SOC设计

刘航宇 3年前
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2023-05-15
机器学习代码实现:线性回归与岭回归摘要本文介绍了线性回归和岭回归的机器学习模型及其代码实现。首先阐述了线性回归模型的基本原理和损失函数，然后展示了如何通过正规方程直接求解参数。接着，详细介绍了线性回归的Python实现，包括fit、predict和loss方法。最后，介绍了岭回归模型，并展示了如何通过增加正则项来控制参数规模，以及如何通过Python代码实现岭回归。关键词：机器学习, 线性回归, 岭回归, 梯度下降, 正规方程1.线性回归模型线性回归模型是最简单的一种线性模型，模型的形式就是： $y=W^T x+b$ 我们可以通过对原本的输入向量x扩增一个为1的维度将参数W和b统一成一个参数W，即模型变成了 $y=W^T x$ 这里的W是原本两个参数合并之后的而其损失函数的形式是残差平方损失RSS $L=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^m\left(W^T x_i-y_i\right)^2=\frac{1}{2 m}\left(W^T X-y\right)^T\left(W^T X-y\right)$ 我们很容易就可以通过求导得到线性回归模型的关于W的梯度 $\nabla_W L=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^m\left(W^T x_i-y_i\right) x_i=\frac{1}{m} X^T\left(W^T X-y\right)$ 这样一来我们就可以通过梯度下降的方式来训练参数W，可以用下面的公式表示 $W:=W-\alpha \frac{1}{m} X^T\left(W^T X-y\right)$ 但实际上线性模型的参数W可以直接求解出，即： $W=\left(X^T X\right)^{-1} X^T y$ 2.线性回归的编程实现具体代码中的参数的形式可能和上面的公式推导略有区别，我们实现了一个LinearRegression的类，包含fit，predict和loss三个主要的方法，fit方法就是求解线性模型的过程，这里我们直接使用了正规方程来解 class LinearRegression: def fit(self, X: np.ndarray, y: np.ndarray) -> float: N, D = X.shape # 将每个样本的特征增加一个维度，用1表示，使得bias和weight可以一起计算 # 这里在输入的样本矩阵X末尾增加一列来给每个样本的特征向量增加一个维度 # 现在X变成了N*(D+1)维的矩阵了 expand_X = np.column_stack((X, np.ones((N, 1)))) self.w = np.matmul(np.matmul(np.linalg.inv(np.matmul(expand_X.T, expand_X)), expand_X.T), y) return self.loss(X, y)predict实际上就是将输入的矩阵X放到模型中进行计算得到对应的结果，loss给出了损失函数的计算方式： def loss(self, X: np.ndarray, y: np.ndarray): """ 线性回归模型使用的是RSS损失函数 :param X:需要预测的特征矩阵X，维度是N*D :param y:标签label :return: """ delta = y - self.predict(X) total_loss = np.sum(delta ** 2) / X.shape[0] return total_loss3.岭回归Ridge Regression与代码实现岭回归实际上就是一种使用了正则项的线性回归模型，也就是在损失函数上加上了正则项来控制参数的规模，即： $L=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^m\left(W^T x_i-y_i\right)^2+\lambda\|W\|_2=\frac{1}{2 m}\left(W^T X-y\right)^T\left(W^T X-y\right)+\lambda W^T W$ 因此最终的模型的正规方程就变成了： $W=\left(X^T X+\lambda I\right)^{-1} X^T y$ 这里的\lambda是待定的正则项参数，可以根据情况选定，岭回归模型训练的具体代码如下 class RidgeRegression: def fit(self, X: np.ndarray, y: np.ndarray): N, D = X.shape I = np.identity(D + 1) I[D][D] = 0 expand_X = np.column_stack((X, np.ones((N, 1)))) self.W = np.matmul(np.matmul(np.linalg.inv(np.matmul(expand_X.T, expand_X) + self.reg * I), expand_X.T), y) return self.loss(X, y)4.数据集实验这里使用了随机生成的二位数据点来对线性模型进行测试，测试结果如下： image.png图片线性模型测试结果岭回归也使用同样的代码进行测试。

机器学习软硬件算法 # 机器学习 # 软件算法

刘航宇 3年前
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联发科2024年数字IC设计验证实习生考题解析摘要本文解析了联发科2024年数字IC设计验证实习生考题，涵盖逻辑化简、ASIC flow、智力题、项目经验、编程、Verilog设计、DMA寄存器配置和二阶带通滤波器等内容，难度中等偏上。关键词：联发科, 数字IC设计验证, 实习生考题解析, 嵌入式工程师, STM32, FPGA总体而言难度中等偏上，如有错误欢迎指正，考察感觉更像是考察嵌入式工程师（有STM32、FPGA基础就很轻松）：有数电、模电、python、verilog、C语言、SOC系统等基础知识，可以看到其实很对口电子信息类专业如电子信息、微电子、通信工程、电子科学、集成电路等专业，没有考察模集如果考模集大部分人要G，数集也没考，可能太底层了与工业界需求有偏差，数集在笔试面试中我认为如果考，可能考时序与功耗部分。这里的Round-Robin算法很值得学习。目录 1、（20分）逻辑化简： 2、（5分）ASIC flow 中综合工具的作用是什么？综合的时候需要SDC文件进行约束，请列举3条SDC的语法。 3、（10分）智力题 4、（10分）选择参与过的任一个项目，简述项目内容以及流程，讲述您在项目中承担的任务，挑一项你认为难的地方并阐述解决方案。 5、（5分）用python写一个冒泡排序的函数以及测试程序。 6、（15分）用Verilog 写一个 Round Robin 仲裁器。模块端口如下： 7、（15分）关于DMA寄存器配置，DMA寄存器（地址 0x81050010）表： 8、（20分）二阶带通滤波器，利用RC组件搭建，通带范围 1kHz~30kHz ，两个电阻 R 均为10kΩ ，问两个电容容值多少？ 1、（20分）逻辑化简：图片 (1)列出真值表 (2)列出其卡诺图 (3)写出Z的最简表达式答：卡诺图：卡诺图画完后勾1就完事了提示：约束项的一般形式为：与或式 = 0 （如果不是此种形式，化为此种形式）；如此题的BC = 0；或者AB +CD = 0；ABC + CD = 0；等等。BC=0（即B=1，且C=1）对应的格子画X。图片图片 2、（5分）ASIC flow 中综合工具的作用是什么？综合的时候需要SDC文件进行约束，请列举3条SDC的语法。答：ASIC flow 中综合工具的作用是将RTL级的硬件描述语言转换为与特定工艺库相匹配的门级网表，同时进行优化以满足时序、面积和功耗等约束。综合的时候需要SDC文件进行约束，SDC文件是一种基于Tcl的格式，用于指定设计的时序约束34。SDC文件中的常用时序约束语法有： create_clock -name <clock_name> -period <clock_period> [get_ports <clock_port>] 用于创建时钟源并指定时钟周期。 set_input_delay -clock <clock_name> <delay_value> [get_ports <input_port>] 用于指定输入端口相对于时钟源的延迟。 set_output_delay -clock <clock_name> <delay_value> [get_ports <output_port>] 用于指定输出端口相对于时钟源的延迟。 set_clock_uncertainty -setup <setup_value> -hold <hold_value> <clock_name> 用于指定时钟源的不确定性，包括建立时间和保持时间。 set_false_path -from [get_ports <source_port>] -to [get_ports <destination_port>] 用于指定不需要进行时序分析的路径。 set_multicycle_path -setup -from [get_clocks <source_clock>] -to [get_clocks <destination_clock>] <cycle_number> 用于指定多周期路径，即源时钟和目标时钟之间有多个周期的时间差。3、（10分）智力题（1）2 12 1112 3112 132112 ，下一个数？给理由；答：第一个数是2，第二个数是12，表示前一个数有1个2；第三个数是1112，表示前一个数有1个1和1个2；以此类推。所以，下一个数是1113122112，表示前一个数有1个1，1个3，2个1和2个2 （2）有一个小偷费劲力气进入到了银行的金库里。在金库里他找到了一百个箱子，每一个箱子里都装满了金币。不过，只有一个箱子里装的是真的金币，剩下的99个箱子里都是假的。真假金币的外形和质感完全一样，任何人都无法通过肉眼分辨出来。它们只有一个区别：真金币每一个重量为101克，而假金币的重量是100克。在金库里有一个电子秤，它可以准确地测量出任何物品的重量，精确到克。但很不幸的是，这个电子秤和银行的报警系统相连接，只要被使用一次就会立刻失效。请问，小偷怎么做才能只使用一次电子秤就找到装着真金币的箱子呢? 答：小偷可以这样做：从第一个箱子里拿出1个金币，从第二个箱子里拿出2个金币，从第三个箱子里拿出3个金币，以此类推，直到从第一百个箱子里拿出100个金币。然后，把所有拿出来的金币放在电子秤上，测量它们的总重量。如果所有的金币都是假的，那么总重量应该是5050克（等于1+2+3+…+100）。如果有一个箱子里是真的金币，那么总重量会比5050克多出一些。这个多出来的部分就是真金币的数量乘以1克。例如，如果第十一个箱子里是真的金币，那么总重量会比5050克多出11克，因为从第十一个箱子里拿出了11个真金币。所以，小偷只要看电子秤上显示的数字减去5050，就能知道哪个箱子里是真的金币了。 4、（10分）选择参与过的任一个项目，简述项目内容以及流程，讲述您在项目中承担的任务，挑一项你认为难的地方并阐述解决方案。答：优先答ASIC的设计与验证项目，其次是FPGA项目（如基于FPGA的图像处理、天线阵、雷达、加速器等等），其它项目不要答。 5、（5分）用python写一个冒泡排序的函数以及测试程序。 # 定义冒泡排序函数 def bubble_sort(lst): # 获取列表长度 n = len(lst) # 遍历列表n-1次 for i in range(n-1): # 设置一个标志，用于判断是否发生交换 swapped = False # 遍历未排序的部分 for j in range(n-1-i): # 如果前一个元素大于后一个元素，交换位置 if lst[j] > lst[j+1]: lst[j], lst[j+1] = lst[j+1], lst[j] # 标志设为True，表示发生了交换 swapped = True # 如果没有发生交换，说明列表已经有序，提前结束循环 if not swapped: break # 返回排序后的列表 return lst # 定义测试程序 # 创建一个乱序的列表 lst = [5, 3, 8, 2, 9, 1, 4, 7, 6] # 打印原始列表 print("Original list:", lst) # 调用冒泡排序函数，对列表进行排序 lst = bubble_sort(lst) # 打印排序后的列表 print("Sorted list:", lst)结果图 image.png图片 6、（15分）用Verilog 写一个 Round Robin 仲裁器。模块端口如下： input clock; input reset_b; input [N-1:0] request; input [N-1] lock; output [N-1] grant; //one-hot此处的 lock 输入信号，表示请求方收到了仲裁许可，在对应的lock拉低之前，仲裁器不可以开启新的仲裁。（可简单理解为仲裁器占用）该题要求参数化编程，在模块例化时可调整参数。也即是说你不能写一个固定参数，比如N=8的模块。参考波形图： image.png图片答： Round-Robin算法：当有多个设备同时想占用同一个资源时，需要仲裁器通过某种调度算法决定不同设备使用资源的先后顺序。 Round Robin算法就是其中一种调度算法，其思路是，当多个仲裁请求(request)送给仲裁器时，仲裁器通过轮询的方式分时给不同的设备返回许可(grant)，当一个requestor 得到了grant许可之后，它的优先级在接下来的仲裁中就变成了最低，当同时有多个requestor的时候，grant可以依次给到每个requestor，即使之前高优先级的requestor再次有新的request，也会等前面的requestor都grant之后再轮到它。由此看出，Round Robin算法是一种公平的算法，它避免了当最高优先级的requestor不断有新的request时，具有最高优先级的requestor一直占用资源，导致其他requestor无法占用资源的阻塞现象。在verilog设计中，如何实现呢？假设request是位宽是6,最高位是第5位，最低位是第0位，默认低比特位具有高优先级。 1.首先需要找到request中优先级最高的比特位，对优先级最高的比特位给出许可信号。这一步可以通过request和它的2的补码按位与。这是因为一个数和它的补码相与，得到的结果是一个独热码，独热码为1的那一位是这个数最低的1。 2.在下一轮仲裁中，已经被仲裁许可的比特位变成了最低优先级，而未被仲裁许可的比特位将会被仲裁。因此对第一步中给出许可的比特位（假设是第2位）以及它的低比特位进行屏蔽，对request中的第5位到第3位进行保持，这个操作可以利用掩码111000和request相与实现得到。得到掩码的方法是，对第一步的许可信号grant-1，再与grant本身相或，相或的结果再取反。 3.通过第二步得到第2位到第0位被屏蔽的request_new信号，判断request_new是否为全0信号，如果是全0信号，代表此时不存在需要被仲裁的比特位，则返回第一步：找到request中优先级最高的比特位，对优先级最高的比特位给出许可信号，然后进行第二步。如果request_new不是全0信号，代表存在未被仲裁的比特位，则找到request_new中优先级最高的比特位，对优先级最高的比特位给出许可信号，然后进行第二步。 // 功能： // -1- Round Robin 仲裁器 // -2- 仲裁请求个数N可变 // -3- 加入lock机制（类似握手） // -4- 复位时的最高优先级定为 0 ，次优先级：1 -> 2 …… -> N-2 -> N-1 `timescale 1ns / 1ps module RoundRobinArbiter #( parameter N = 4 //仲裁请求个数 )( input clock, input reset_b, input [N-1:0] request, input [N-1:0] lock, output reg [N-1:0] grant//one-hot ); // 模块内部参数 localparam IDLE = 3'b001;// 复位进入空闲状态，接收并处理系统的初次仲裁请求 localparam WAIT_REQ_GRANT = 3'b010;// 等待后续仲裁请求到来,并进行仲裁 localparam WAIT_LOCK = 3'b100;// 等待LOCK拉低 // 模块内部信号 reg [2:0] R_STATUS; //请求状态 reg [N-1:0] R_MASK; //掩码 wire [N-1:0] W_REQ_MASKED; assign W_REQ_MASKED = request & R_MASK; //屏蔽低位 always @ (posedge clock) begin if(~reset_b) begin R_STATUS <= IDLE; R_MASK <= 0; grant <= 0; end else begin case(R_STATUS) IDLE: begin if(|request) //首次仲裁请求，不全为0 begin R_STATUS <= WAIT_LOCK; //首先需要找到request中优先级最高的比特位，对优先级最高的比特位给出许可信号。 //这一步可以通过request和它的2的补码按位与。这是因为一个数和它的补码相与，得到的结果是一个独热码，独热码为1的那一位是这个数最低的1 grant <= request & ((~request)+1); R_MASK <= ~((request & ((~request)+1))-1 | (request & ((~request)+1))); //得到掩码的方法是，对第一步的许可信号grant-1，再与grant本身相或，相或的结果再取反。 end else begin R_STATUS <= IDLE; end end WAIT_REQ_GRANT://处理后续的仲裁请求 begin if(|request) begin R_STATUS <= WAIT_LOCK; //在下一轮仲裁中，已经被仲裁许可的比特位变成了最低优先级，而未被仲裁许可的比特位将会被仲裁。 //因此对第一步中给出许可的比特位（假设是第2位）以及它的低比特位进行屏蔽，对request中的第5位到第3位进行保持 //这个操作可以利用掩码111000和request相与实现得到。 if(|(request & R_MASK))//不全为零 begin grant <= W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1); R_MASK <= ~((W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1))-1 | (W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1))); end else begin grant <= request & ((~request)+1); R_MASK <= ~((request & ((~request)+1))-1 | (request & ((~request)+1))); end end else begin R_STATUS <= WAIT_REQ_GRANT; grant <= 0; R_MASK <= 0; end end //通过第二步得到第2位到第0位被屏蔽的request_new信号， //判断request_new是否为全0信号，如果是全0信号，代表此时不存在需要被仲裁的比特位，则返回第一步：找到request中优先级最高的比特位， //对优先级最高的比特位给出许可信号，然后进行第二步。如果request_new不是全0信号，代表存在未被仲裁的比特位， //则找到request_new中优先级最高的比特位，对优先级最高的比特位给出许可信号，然后进行第二步。 WAIT_LOCK: begin if(|(lock & grant)) //未释放仲裁器 begin R_STATUS <= WAIT_LOCK; end else if(|request) //释放的同时存在仲裁请求 begin R_STATUS <= WAIT_LOCK; if(|(request & R_MASK))//不全为零 begin grant <= W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1); R_MASK <= ~((W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1))-1 | (W_REQ_MASKED & ((~W_REQ_MASKED)+1))); end else begin grant <= request & ((~request)+1); R_MASK <= ~((request & ((~request)+1))-1 | (request & ((~request)+1))); end end else begin R_STATUS <= WAIT_REQ_GRANT; grant <= 0; R_MASK <= 0; end end default: begin R_STATUS <= IDLE; R_MASK <= 0; grant <= 0; end endcase end end endmodule测试代码 `timescale 1ns / 1ps module RoundRobinArbiter_tb; parameter N = 4; // 可以在测试时调整参数 // 定义测试信号 reg clock; reg reset_b; reg [N-1:0] request; reg [N-1:0] lock; wire [N-1:0] grant; // 定义时钟信号 initial clock = 0; always #10 clock = ~clock; // 实例化仲裁器模块 RoundRobinArbiter #( .N(N) ) inst_RoundRobinArbiter ( .clock (clock), .reset_b (reset_b), .request (request), .lock (lock), .grant (grant) ); // 定义时钟周期和初始值 initial begin reset_b <= 1'b0; request <= 0; lock <= 0; end // 定义请求和锁定信号的变化 initial begin #20; reset_b <= 1'b1; @(posedge clock) request <= 2; lock <= 2; @(posedge clock) request <= 0; @(posedge clock) request <= 5; lock <= 7; @(posedge clock) lock <= 5; @(posedge clock) request <= 1; @(posedge clock) lock <= 1; @(posedge clock) request <= 0; @(posedge clock) lock <= 0; #1000 $stop; // 测试结束 end // 显示测试结果和波形图 initial begin $monitor("Time=%t, clock=%b, reset_b=%b, request=%b, lock=%b, grant=%b", $time, clock, reset_b, request, lock, grant); $dumpfile("RoundRobinArbiter_tb.vcd"); $dumpvars(0,RoundRobinArbiter_tb); end endmodule结果： image.png图片如果对波形图无法理解可以看此博文 https://blog.csdn.net/m0_49540263/article/details/114967443 7、（15分）关于DMA寄存器配置，DMA寄存器（地址 0x81050010）表： image.png图片 image.png图片 Type 表示读写类型。Reset 表示复位值。写一个C函数 void dma_driver(void)，按步骤完成以下需求：分配DMA所需的源地址（0x30）分配DMA所需的目的地址（0x300）设置传输128 Byte 数据开始DMA传输等待DMA传输结束答： // 假设有以下宏定义 #define DMA_REG 0x81050010 // DMA控制寄存器的地址 #define DMA_SRC_ADDR 0x30 // DMA源地址 #define DMA_DST_ADDR 0x300 // DMA目的地址 #define DMA_SIZE 128 // DMA传输大小 #define DMA_START 1 // DMA开始传输的标志位 // 定义C函数 void dma_driver(void) void dma_driver(void) { // 定义一个指向DMA控制寄存器的指针 volatile uint32_t *dma_reg = (volatile uint32_t *)DMA_REG; // 清空DMA控制寄存器的值 *dma_reg = 0; // 设置DMA源地址，目的地址和传输大小 *dma_reg |= (DMA_SRC_ADDR << 2) | (DMA_DST_ADDR << 13) | (DMA_SIZE << 24); // 开始DMA传输 *dma_reg |= DMA_START; // 等待DMA传输结束 while (*dma_reg & DMA_START) { // 可以在这里做一些其他的事情，比如打印日志或者检查错误 // printf("Waiting for DMA to finish...\n"); // check_error(); } }官方一点的表达：DMA，全称为：Direct Memory Access，即直接存储器访问。直接存储器存取( DMA )用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须 CPU 干预，数据可以通过 DMA 快速地移动，这就节省了 CPU 的资源来做其他操作。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA 传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。DMA 传输方式无需 CPU 直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为 RAM 与 I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路，能使 CPU 的效率大为提高。 8、（20分）二阶带通滤波器，利用RC组件搭建，通带范围 1kHz~30kHz ，两个电阻 R 均为10kΩ ，问两个电容容值多少？答：第一步首得知道二阶带通（RC）滤波器的电路长啥样，高、低通组合一下就是带通，自己思考一下高、低通组合：如串联或并联，会得到带通还是带组？电路图： H___H21L__E34_WC@43F1_8.jpg图片这个一看就是总传递函数=A1*A2（模电二阶有源或无源滤波器绝对有） _LIYXIHR_08YNK__EV8SXDH.jpg图片然后化简 X25LO__~TXMGO59LTLV@9S9.jpg图片根据推导得到的表达式，对于 jwRC2 ，这一项，当 w 趋于无穷大时，uo/ui 趋于零。那么高频的临界点就是 wRC2 = 1+2C2/C1；（此时忽略低频项1/jwRC1）同理，对于低频项 1 /jwRC1， w 趋于无穷小时，uo/ui 趋于零，那么低频的临界点就是 1/wRC1 = 1+2C2/C1；然后解二元一次方程两个电容就被解出来了这里提供一种更简单方法：二阶带通滤波器的中心频率 f0 和品质因数 Q 可以用下面的公式计算： image.png图片已知 R1 = R2 = 10kΩ，f0 = (1kHz + 30kHz) / 2 = 15.5kHz，Q = f0 / (30kHz - 1kHz) = 0.54，代入上面的公式，可以求得： image.png图片这是一个二元一次方程组，可以用任意方法求解，例如消元法或代入法。为了方便起见，我们假设 C1 和 C2 的值相近，那么可以近似地认为 C1 = C2 = 3.45nF。这样就得到了两个电容的容值。当然，也可以选择其他的电容值，只要满足上面的方程组即可。

FPGA&ASIC 软硬件算法 # 笔试面试

刘航宇 3年前
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【电路基础】ASIC角度练习JK触发器&RS触发器摘要本文介绍了JK触发器和RS触发器的原理、硬件描述语言实现、时序图、电路图以及性能分析。通过Verilog语言实现了JK和RS触发器，并进行了仿真测试，验证了其功能正确性。关键词：ASIC, JK触发器, RS触发器, 硬件描述语言, Verilog由于本电路极其简单，原理不做解释目录 JK触发器真值表硬件描述语言 JK触发器时序 JK触发器电路图 JK触发器性能--SMIC180nm工艺 RS触发器真值表 RS硬件描述语言 RS触发器时序 RS触发器电路图 RS触发器性能--SMIC180nm工艺 JK触发器真值表图片硬件描述语言代码 //边沿JK触发器-时序逻辑 //作者:刘航宇 2023/4/15 //Email:hyliu@ee.ac.cn module jk_trigger(clk,j,k,q,qb); input clk,j,k; output q,qb; reg q; wire qb; always @(posedge clk) begin case ({j,k}) 2'b00: q<=1; //jk=00,保持 2'b01: q<=1'b0; //jk=01,则触发器置0 2'b10: q<=1'b1; //jk=10,则触发器置1 2'b11: q<=~q; //11,翻转 //组合逻辑中，为避免生成锁存器，好的代码风格是if语句都加上else，case语句都加上default。 //时序逻辑中，“若无必要，尽量不加else和default”——以减小数据翻转机会,低功耗。 //故此处不写default endcase end assign qb = ~q; endmodule测试文件 //jk触发器测试文件 `timescale 1ns/1ps module jk_trigger_tb; reg j,k,clk;//输入reg是因为要initial wire q,qb; always begin #5 clk = ~clk; end //初始化 //下面这个产生fsdb是Synopsys VCS&Makefile脚本会用到，如果你用Medelsim仿真请删掉这个initial语句以免报错 initial begin $fsdbDumpfile("tb.fsdb");//这个是产生名为tb.fsdb的文件 $fsdbDumpvars; end initial begin clk = 0; j = 1'b0; k = 1'b0;//保持 #30 begin j=1'b0;k=1'b1; end //置0 #20 begin j=1'b1;k=1'b0; end //置1 #20 begin j=1'b0;k=1'b0; end //保持 #20 begin j=1'b1;k=1'b1; end //翻转 #200 $finish; end jk_trigger u1(.j(j),.k(k),.clk(clk),.q(q),.qb(qb)); endmoduleJK触发器时序上升沿触发，可以看到时序完全正确图片 JK触发器电路图图片之所以这样综合电路综合出一个D触发器，是考虑标准单元库的面积与时序的折中，标准单元相当于基本晶体管搭建而成，比如反相器占用2个晶体管，与非门占用4个晶体管，具体不在赘叙。图片图片 JK触发器性能--SMIC180nm工艺图片 RS触发器真值表图片 RS硬件描述语言代码 //边沿JK触发器-时序逻辑 //作者:刘航宇 2023/4/15 //Email:hyliu@ee.ac.cn module rs_trigger( input wire clk,r,s, output reg q, output wire qb ); always @(posedge clk) begin case ({r,s}) 2'b00: q<=q; //r,s同时为低电平，触发器保持状态不变 2'b01: q<=1'b1; //触发器置1 2'b10: q<=1'b0; //触发器置0 2'b11: q<=1'bx; //不定态 endcase end assign qb = ~q; endmodule测试代码 `timescale 1ns/1ps module rs_trigger_tb(); reg clk,r,s; wire q,qb; always begin #5 clk = ~clk; end //初始化 initial begin clk = 0; r = 1'b0; s = 1'b0;//保持 #30 r=1'b0;s=1'b1; //置1 #20 r=1'b1;s=1'b0; //置0 #20 r=1'b0;s=1'b0; //保持 #20 r=1'b1;s=1'b1; //禁止 #200 $stop; end rs_trigger u2(.clk(clk),.r(r),.s(s),.q(q),.qb(qb)); endmoduleRS触发器时序上升沿触发，可以看到时序完全正确图片 RS触发器电路图 image.png图片 image.png图片 image.png图片 RS触发器性能--SMIC180nm工艺 image.png图片

FPGA&ASIC # ASIC/FPGA

刘航宇 3年前
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2023-04-12
浅谈如何学好IC验证摘要本文探讨了如何成为一名IC验证工程师，强调了从基础数字电路知识到掌握SystemVerilog、UVM等验证语言和方法的重要性，并介绍了学习UVM的资源和途径。关键词：IC验证, 数字电路, Verilog, SystemVerilog, UVM要成为一名IC验证工程师，一定要懂一些设计，如果都不清楚自己在验什么东西，后面的工作也都无从谈起了。所以在时间足够的情况下，最好从最基础的数字电路知识开始学习，之后是 Verilog → SystemVerilog → UVM 这样一个顺序，需要具备以下一些能力：掌握数字电路和Verilog的基础知识，了解芯片设计的流程和结构。学习SystemVerilog和UVM等验证语言和方法学，能够搭建和使用验证环境，构建测试用例和激励场景。熟悉Linux操作系统和常用的EDA工具，能够使用脚本语言如Perl或Python进行自动化测试。能够阅读和理解设计规格，分析设计功能和边界条件，设计有效的覆盖率和断言。能够对设计缺陷进行调试和修改建议，与设计工程师进行沟通和协作。不断学习新的协议、技术和验证方法，提高验证效率和质量。图片学习UVM的方法有很多，但是一般来说，需要具备以下几个方面的知识： SystemVerilog的基础语法和面向对象编程的概念，如类、继承、多态等。 UVM的基本构架和组件，如test、env、agent、driver、monitor、sequencer、sequence等，以及它们之间的连接和通信机制。 UVM的高级功能和技巧，如factory、callback、register model、coverage等，以及如何使用它们来提高验证效率和可重用性。 UVM的实际应用和案例分析，如如何搭建一个完整的UVM验证环境，如何编写不同类型的测试用例，如何处理异常情况等。为了学习UVM，可以参考以下一些资源： Verification Academy是一个提供免费在线课程和视频的网站，其中有专门针对UVM的基础和进阶课程，以及一些实例代码和演示。 https://verificationacademy.com/courses/uvm-basics UVM实战是一本中文书籍，介绍了UVM的基本概念和方法，以及一些常见的验证场景和技巧。 UVM Cookbook3是一个在线文档，提供了UVM的各种知识点和示例代码，可以作为一个参考手册。 https://www.cnblogs.com/dpc525/p/5047032.html

我的随笔 VLSI&IC验证

刘航宇 3年前
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【硬件算法进阶】Verilog实现802.3 CRC-32校验运算电路摘要本文介绍了使用Verilog实现802.3 CRC-32校验运算电路的设计，包括CRC校验原理、电路结构、Verilog代码实现以及测试方法。关键词：CRC-32校验, Verilog, 硬件算法, 循环冗余校验, 802.3循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）是通信中常用的差错检测编码方式，其基本工作原理是根据输入的信息位（信息码元），按照给定的生成多项式产生校验位（校验码元），并一起传送到接收端。在接收端，接收电路按照相同的规则对接收数据进行计算并生成本地的校验位，然后与收到的校验位进行对比，如果二者不同，则说明传输过程中发生了错误，否则说明传输是正确的。带有CRC校验结果的数据帧结构如表1-2所示。 image.png图片 CRC检验位生成与检测工作包括以下基本步骤。 image.png图片图1-6是一个并行CRC-32校验运算电路。图中的d［7：0］是输入的用户数据，它是按照字节的方式输入的。load_ini是在对一个新的数据包开始校验计算之前对电路进行初始化的控制信号，经过初始化后，电路内部32比特寄存器的值改变为全1。calc是电路运算指示信号，在整个数据帧输入和CRC校验结果输出的过程中其都应该保持有效（高电平有效）。d_valid为1时表示当前输入的是需要进行校验运算的有效数据。crc［7：0］是电路输出的CRC校验运算结果，它是按照字节方式，在有效数据输入完成后开始输出的，一共有4个有效字节。crc_reg［31：0］是内部寄存器的值，具体使用时不需要该输出。 image.png图片并行计算的思想，输入数据S要并行输入到G(x)系数为1的支路中，输入数据从输入端按高到低逐bit输入，就可以实现。假如被除数是2位的数据S[1:0]=01，多项式是10011，x4 +x+1。在CRC校验里面，习惯省略最高位的1，多项式用0011表示。那么S除以0011的模二运算数字电路结构为： image.png图片其中d1~ d4是寄存器输入；q1~q4是寄存器输出。寄存器需要赋初值，一般赋全1或全0。 d1=S[1]^q4; d2= S[1]^ q1^q4; d3=q2; d4=q3。经过一次移位后： q1=d1= S[1]^q4; q2= d2= S[1]^ q1^q4; q3= d3=q2; q4= d4=q3。此时有： d1=S[0]^q3; d2= S[0]^ S[1]^ q4^q3; d3= S[1]^ q1^q4; d4= q2。令c[3:0]={q4,q3,q2,q1}，d[3:0]={d4,d3,d2,d1}，那么d就是最终的运算结果表达式，如下 d[3]=c[1]; d[2]= S[1]^ c[0]^c[3]; d[1]= S[0]^ S[1]^ c[3]^ c[2]; d[0]= S[0]^ c[2]。令c的初值为0，则01对0011的模二除法的余数为0011。再比如多项式为x5 +x3 +x+1，简记式为01011，其数字电路结构为： image.png图片输入数据S要全部输入完，寄存器得到的结果才是最后的结果。同理可推导出其他多项式和输入数据的情况。对于循环检验，这里举个例子，如果数据是10bit*100个包，则每次输入10bit得到校验码后，该检验码为下次数据计算时寄存器D的初值，如此反复计算得到最后的检验码添加到整个数据后面即可，而不需要每个数据包后面都添加检验码。下面是以太网循环冗余校验电路的设计代码： module crc32_8023( clk, reset, d, load_init, calc, d_valid, crc_reg, crc ); input clk; input reset; input [7:0] d; input load_init; input calc; input d_valid; output reg [31:0] crc_reg; output reg [7:0] crc; wire [2:0] ctl; wire [31:0] next_crc; wire [31:0] i; assign i = crc_reg; assign ctl = {load_init,calc,d_valid}; always @(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) crc_reg <= 32'hffffffff; else begin case (ctl) //{load_init,calc,d_vaild} 3'b000,3'b010: begin crc_reg <= crc_reg; crc <= crc;end 3'b001: begin crc_reg <= {crc_reg[23:0],8'hff}; crc <= ~{crc_reg[16],crc_reg[17],crc_reg[18],crc_reg[19],crc_reg[20],crc_reg[21],crc_reg[22],crc_reg[23]}; //crc <= ~ crc_reg[16:23]; end 3'b011: begin crc_reg <= next_crc[31:0]; crc <= ~{next_crc[24],next_crc[25],next_crc[26],next_crc[27],next_crc[28],next_crc[29],next_crc[30],next_crc[31]}; //crc <= ~ next_crc[24:31]; end 3'b100,3'b110: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= crc; end 3'b101: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= ~{crc_reg[16],crc_reg[17],crc_reg[18],crc_reg[19],crc_reg[20],crc_reg[21],crc_reg[22],crc_reg[23]}; //crc <= ~ crc_reg[16:23]; end 3'b111: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= ~{next_crc[24],next_crc[25],next_crc[26],next_crc[27],next_crc[28],next_crc[29],next_crc[30],next_crc[31]}; //crc <= ~ next_crc[24:31]; end endcase end end assign next_crc[0] = d[7]^i[24]^d[1]^i[30]; //d+i=31 assign next_crc[1] = d[6]^d[0]^d[7]^d[1]^i[24]^i[25]^i[30]^i[31]; assign next_crc[2] = d[5]^d[6]^d[0]^d[7]^d[1]^i[24]^i[25]^i[26]^i[30]^i[31]; assign next_crc[3] = d[4]^d[5]^d[6]^d[0]^i[25]^i[26]^i[27]^i[31]; assign next_crc[4] = d[3]^d[4]^d[5]^d[7]^d[1]^i[24]^i[26]^i[27]^i[28]^i[30]; assign next_crc[5] = d[0]^d[1]^d[2]^d[3]^d[4]^d[6]^d[7]^i[24]^i[25]^i[27]^i[28]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[6] = d[0]^d[1]^d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[7] = d[0]^d[2]^d[4]^d[5]^d[7]^i[24]^i[26]^i[27]^i[29]^i[31]; assign next_crc[8] = d[3]^d[4]^d[6]^d[7]^i[24]^i[25]^i[27]^i[28]^i[0]; //每项多出i[i],i=0、1、2...23 assign next_crc[9] = d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^i[1]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]; assign next_crc[10] =d[2]^d[4]^d[5]^d[7]^i[2]^i[24]^i[26]^ i[27]^i[29]; assign next_crc[11] =i[3]^d[3]^i[28]^d[4]^i[27]^d[6]^i[25]^d[7]^i[24]; assign next_crc[12] =d[1]^d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^d[7]^i[4]^i[24]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]^i[30]; assign next_crc[13] =d[0]^d[1]^d[2]^d[4]^d[5]^d[6]^i[5]^i[25]^i[26]^i[27]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[14] =d[0]^d[1]^d[3]^d[4]^d[5]^i[6]^i[26]^i[27]^i[28]^i[30]^i[31]; assign next_crc[15] =d[0]^d[2]^d[3]^d[4]^i[7]^i[27]^i[28]^i[29]^i[31]; assign next_crc[16] =d[2]^d[3]^d[7]^i[8]^i[24]^i[28]^i[29]; assign next_crc[17] =d[1]^d[2]^d[6]^i[9]^i[25]^i[29]^i[30]; assign next_crc[18] =d[0]^d[1]^d[5]^i[10]^i[26]^i[30]^i[31]; assign next_crc[19] =d[0]^d[4]^i[11]^i[27]^i[31]; assign next_crc[20] =d[3]^i[12]^i[28]; assign next_crc[21] =d[2]^i[13]^i[29]; assign next_crc[22] =d[7]^i[14]^i[24]; assign next_crc[23] =d[1]^d[6]^d[7]^i[15]^i[24]^i[25]^i[30]; assign next_crc[24] =d[0]^d[5]^d[6]^i[16]^i[25]^i[26]^i[31]; assign next_crc[25] =d[4]^d[5]^i[17]^i[26]^i[27]; assign next_crc[26] =d[1]^d[3]^d[4]^d[7]^i[18]^i[28]^i[27]^i[24]^i[30]; assign next_crc[27] =d[0]^d[2]^d[3]^d[6]^i[19]^i[29]^i[28]^i[25]^i[31]; assign next_crc[28] =d[1]^d[2]^d[5]^i[20]^i[30]^i[29]^i[26]; assign next_crc[29] =d[0]^d[1]^d[4]^i[21]^i[31]^i[30]^i[27]; assign next_crc[30] =d[0]^d[3]^i[22]^i[31]^i[28]; assign next_crc[31] =d[2]^i[23]^i[29]; endmodule测试代码 `timescale 1ns/1ns module crc_test(); reg clk, reset; reg [7:0] d; reg load_init; reg calc; reg data_valid; wire [31:0] crc_reg; wire [7:0] crc; initial begin clk=0; reset=0; load_init=0; calc=0; data_valid=0; d=0; end always begin #10 clk=1; #10 clk=0; end always begin crc_reset; crc_cal; end task crc_reset; begin reset=1; repeat(2)@(posedge clk); #5; reset=0; repeat(2)@(posedge clk); end endtask task crc_cal; begin repeat(5) @ (posedge clk); //通过losd_init=1 对CRC计算电路进行初始化 #5; load_init= 1; repeat(1)@ (posedge clk); //设置1oad_init=0,data_valid= 1,calc=1 //开始对输人数据进行CRC校验运算 #5; load_init= 0; data_valid=1; calc=1; d=8'haa; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hbb; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hcc; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hdd; repeat(1)@ (posedge clk); //设置load_init=0,data_valid=1,calc=0 //停止对数据进行CRC校验运算,开始输出 //计算结果 #5; data_valid=1; calc=0; d=8'haa; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hbb; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hee; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hdd; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=0; repeat(10)@ (posedge clk); end endtask crc32_8023 my_crc_test(.clk(clk),.reset(reset),.d(d),.load_init(load_init),.calc(calc),.d_valid(data_valid),.crc_reg(crc_reg),.crc(crc)); endmodule图1-7是电路的仿真结果。图中①是电路进行CRC校验计算之前对电路进行初始化操作的过程，经过初始化之后，crc_reg内部数值为全1。②是对输入数据aa-> bb-> cc-> dd进行运算操作的过程，此时calc和data_valid均为1。③是输出计算结果的过程，CRC校验运算结果a7、01、b4和55先后被输出。图片图片在接收方向上，可以采用相同的电路进行校验检查，判断是否在传输过程中发生了差错。具体工作时，可以边接收用户数据边进行校验运算，当一个完整的MAC帧接收完成后（此时接收数据帧中的校验结果也参加了校验运算），如果当前校验电路的crc_reg值为0xC704DD7B（对于以太网中使用的CRC-32校验，无论原始数据是什么，正确接收时校验和都是此固定数值），说明没有发生错误，否则说明MAC帧有错。 CRC-32校验值的作用是用于检测数据传输或存储中的错误。发送数据时，会根据数据内容生成简短的校验和，并将其与数据一起发送。接收数据时，将再次生成校验和并将其与发送的校验和进行比较。如果两者相等，则没有数据损坏。如果两者不相等，则说明数据在传输或存储过程中发生了改变，可能是由于噪声、干扰、故障或恶意篡改等原因造成的。 CRC-32校验值可以有效地检测出数据中的随机错误，但是不能保证检测出所有的错误。例如，如果数据中有偶数个比特发生了翻转，那么CRC-32校验值可能不会改变，从而无法发现错误。因此，CRC-32校验值只能作为一种辅助的错误检测手段，不能完全依赖它来保证数据的正确性和完整性。相关工具如果不理解推导过程的话，可以由相关工具帮忙计算出结果和得到Verilog代码： CRC校验Verilog代码生成链接：http://outputlogic.com/?page_id=321 CRC校验计算工具链接：http://www.ip33.com/crc.html，这个工具只能计算16bit为一个数据包的数据，如果数据包为10bit等之类的就不太适用在线计算器使用举例报文： 1011001 (0x59) 生成多项式： g(x) = x^4 + x^3 + 1 CRC : 1010 ( 0xa) CRC计算结果截图： image.png图片参考文献 Verilog HDL算法与电路设计-乔庐峰

FPGA&ASIC 软硬件算法 # ASIC/FPGA # 硬件算法

刘航宇 3年前
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【IC/CPU设计】极简的RISC_CPU设计摘要本文介绍了RISC_CPU的设计，包括其内部结构、Verilog实现和测试过程。该项目旨在帮助数字IC工程师入门，并探讨了如何进一步优化和扩展。关键词：RISC_CPU, Verilog, 数字IC设计, CPU架构, 算术逻辑单元CPU为SOC系统的核心环节，该项目来自于夏宇闻老师的经典教材——《Verilog 数字系统设计教程》，通过此练习方便数字ICer更好的入门本次项目实践环境：前仿： Modelsim 综合： Design Compile 目录 CPU简介整体结构时钟发生器指令寄存器累加器算术运算器数据控制器地址多路器程序计数器状态控制器&主状态机外围模块地址译码器 RAM ROM 顶层模块 TestbenchTest1程序 Test3程序完整的testbench 源代码&脚本前仿真结果 DC后仿真总结源代码&脚本 CPU简介 CPU（Central Processing Unit），中文全称中央处理器，作为四大U之首(CPU/GPU/TPU/NPU），是计算机系统的运算和控制核心，也是当今数字系统中不可或缺的组成部分。CPU自诞生到如今发展超过50年，借助冯诺依曼体系，CPU掀起一股又一股的科技浪潮。RISC作为精简了指令集的CPU，除了指令更加简洁，还拥有简单合理的内部结构，从而提高了运算速度。 CPU工作的5个阶段：（1）取指（IF，Instruction Fetch），将指令从存储器取出到指令寄存器。每取一条指令，程序计数器自加一。（2）译指（ID，Instruction Decode)，对取出的指令按照规定格式进行拆分和译码。（3）执行（EX，Execute），执行具体指令操作。（4）访问存储（MEM，Memory），根据指令访问存储、完成存储和读取。（5）写回（WB，Write Back），将计算结果写回到存储器。 CPU内部关键结构：（1）算术逻辑运算器（ALU）；（2）累加器；（3）程序计数器；（4）指令寄存器和译码器；（5）时序和控制部件。 RISC_CPU内部结构和Verilog实现本项目中的RISC_CPU一共有9个模块组成，具体如下：（1）时钟发生器；（2）指令寄存器；（3）累加器；（4）算术逻辑运算单元；（5）数据控制器；（6）状态控制器；（7）主状态机；（8）程序计数器；（9）地址多路器。整体结构图片时钟发生器模块图： image.png图片端口描述： reset是高电平复位信号； clk是外部时钟信号； fetch是控制信号，是clk的八分频信号；fetch为高电平时，触发执行指令以及地址多路器输出指令地址和数据地址。 alu_ena是算术逻辑运算单元的使能信号。图片可以看到alu_ena提前fetch高电平一个clk周期，fetch是clk的8分频信号。 Verilog代码： // Description: RISC——CPU 时钟发生器 // ----------------------------------------------------------------------------- module clk_gen ( input clk , // Clock input reset , // High level reset output reg fetch , // 8 frequency division output reg alu_ena // Arithmetic enable ); reg [7:0] state; //One-piece state machine parameter S1 = 8'b0000_0001, S2 = 8'b0000_0010, S3 = 8'b0000_0100, S4 = 8'b0000_1000, S5 = 8'b0001_0000, S6 = 8'b0010_0000, S7 = 8'b0100_0000, S8 = 8'b1000_0000, idle = 8'b0000_0000; always@(posedge clk)begin if(reset)begin fetch <= 0; alu_ena <= 0; state <= idle; end else begin case(state) S1: begin alu_ena <= 1; state <= S2; end S2: begin alu_ena <= 0; state <= S3; end S3: begin fetch <= 1; state <=S4; end S4: begin state <= S5; end S5: state <= S6; S6: state <= S7; S7: begin fetch <= 0; state <= S8; end S8: begin state <= S1; end idle: state <= S1; default: state <=idle; endcase end end endmodule指令寄存器模块图：图片端口描述：寄存器是将数据总线送来的指令存入高8位或低8位寄存器中。 ena信号用来控制是否寄存。每条指令为两个字节，16位，高3位是操作码，低13位是地址（CPU地址总线为13位，寻址空间为8K字节）。本设计的数据总线为8位，每条指令需要取两次，先取高8位，再取低8位。 Verilog代码： // Description: RISC—CPU 指令寄存器 // ----------------------------------------------------------------------------- module register ( input [7:0] data , input clk , input rst , input ena , output reg [15:0] opc_iraddr ); reg state ; // always@( posedge clk ) begin if( rst ) begin opc_iraddr <= 16'b 0000_0000_0000_0000; state <= 1'b 0; end // if rst // If load_ir from machine actived, load instruction data from rom in 2 clock periods. // Load high 8 bits first, and then low 8 bits. else if( ena ) begin case( state ) 1'b0 : begin opc_iraddr [ 15 : 8 ] <= data; state <= 1; end 1'b1 : begin opc_iraddr [ 7 : 0 ] <= data; state <= 0; end default : begin opc_iraddr [ 15 : 0 ] <= 16'bxxxx_xxxx_xxxx_xxxx; state <= 1'bx; end endcase // state end // else if ena else state <= 1'b0; end endmodule 累加器模块图：图片端口描述：累加器用于存放当前结果，ena信号有效时，在clk上升沿输出数据总线的数据。 // Description: RISC-CPU 累加器模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module accum ( input clk , // Clock input ena , // Enable input rst , // Asynchronous reset active high input [7:0] data , // Data bus output reg [7:0] accum ); always@(posedge clk)begin if(rst) accum <= 8'b0000_0000;//Reset else if(ena) accum <= data; end endmodule 算术运算器模块图： image.png图片端口描述：算术逻辑运算单元可以根据输入的操作码分别实现相应的加、与、异或、跳转等基本操作运算。本单元支持8种操作运算。 opcode用来选择计算模式 data是数据输入 accum是累加器输出 alu_ena是模块使能信号 clk是系统时钟 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 算术运算器 // ----------------------------------------------------------------------------- module alu ( input clk , // Clock input alu_ena , // Enable input [2:0] opcode , // High three bits are used as opcodes input [7:0] data , // data input [7:0] accum , // accum out output reg [7:0] alu_out , output zero ); parameter HLT = 3'b000 , SKZ = 3'b001 , ADD = 3'b010 , ANDD = 3'b011 , XORR = 3'b100 , LDA = 3'b101 , STO = 3'b110 , JMP = 3'b111 ; always @(posedge clk) begin if(alu_ena) begin casex(opcode)//操作码来自指令寄存器的输出 opc_iaddr(15..0)的第三位 HLT: alu_out <= accum ; SKZ: alu_out <= accum ; ADD: alu_out <= data + accum ; ANDD: alu_out <= data & accum ; XORR: alu_out <= data ^ accum ; LDA : alu_out <= data ; STO : alu_out <= accum ; JMP : alu_out <= accum ; default: alu_out <= 8'bxxxx_xxxx ; endcase end end assign zero = !accum; endmodule 数据控制器模块图： image.png图片端口描述：数据控制器的作用是控制累加器的数据输出，数据总线是分时复用的，会根据当前状态传输指令或者数据。数据只在往RAM区或者端口写时才允许输出，否则呈现高阻态。 in是8bit数据输入 data_ena是使能信号 data是8bit数据输出 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 数据控制器 // ----------------------------------------------------------------------------- module datactl ( input [7:0] in , // Data input input data_ena , // Data Enable output wire [7:0] data // Data output ); assign data = (data_ena )? in: 8'bzzzz_zzzz ; endmodule 地址多路器模块图： image.png图片端口描述：用于选择输出地址是PC（程序计数）地址还是数据/端口地址。每个指令周期的前4个时钟周期用于从ROM种读取指令，输出的是PC地址；后四个时钟周期用于对RAM或端口读写。地址多路器和数据控制器实现的功能十分相似。 fetch信号用来控制地址输出，高电平输出pc_addr ,低电平输出ir_addr ; pc_addr 指令地址； ir_addr ram或端口地址。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 地址多路器 // ----------------------------------------------------------------------------- module adr ( input fetch , // enable input [12:0] ir_addr , // input [12:0] pc_addr , // output wire [12:0] addr ); assign addr = fetch? pc_addr :ir_addr ; endmodule 程序计数器模块图： image.png图片端口描述：程序计数器用来提供指令地址，指令按照地址顺序存放在存储器中。包含两种生成途径：（1）顺序执行的情况（2）需要改变顺序，例如JMP指令 rst复位信号，高电平时地址清零； clock 时钟信号，系统时钟； ir_addr目标地址，当加载信号有效时输出此地址； pc_addr程序计数器地址 load地址装载信号 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 程序计数器 // ----------------------------------------------------------------------------- module counter ( input [12:0] ir_addr , // program address input load , // Load up signal input clock , // CLock input rst , // Reset output reg [12:0] pc_addr // insert program address ); always@(posedge clock or posedge rst) begin if(rst) pc_addr <= 13'b0_0000_0000_0000; else if(load) pc_addr <= ir_addr; else pc_addr <= pc_addr + 1; end endmodule 状态控制器&主状态机模块图： image.png图片（图左边）状态机端口描述：状态控制器接收复位信号rst，rst有效，控制输出ena为0，fetch有效控制ena为1。 // Description: RISC-CPU 状态控制器 // ----------------------------------------------------------------------------- module machinectl ( input clk , // Clock input rst , // Asynchronous reset input fetch , // Asynchronous reset active low output reg ena // Enable ); always@(posedge clk)begin if(rst) ena <= 0; else if(fetch) ena <=1; end endmodule （图右边）主状态端口描述：主状态机是CPU的控制核心，用于产生一系列控制信号。指令周期由8个时钟周期组成，每个时钟周期都要完成固定的操作。（1）第0个时钟，CPU状态控制器的输出rd和load_ir 为高电平，其余为低电平。指令寄存器寄存由ROM送来的高8位指令代码。（2）第1个时钟，与上一个时钟相比只是inc_pc从0变为1，故PC增1，ROM送来低8位指令代码，指令寄存器寄存该8位指令代码。（3）第2个时钟，空操作。（4）第3个时钟，PC增1，指向下一条指令。操作符为HLT，输出信号HLT为高。操作符不为HLT，除PC增1外，其余控制线输出为0. （5）第4个时钟，操作。操作符为AND，ADD，XOR或LDA，读取相应地址的数据；操作符为JMP，将目的地址送给程序计数器；操作符为STO，输出累加器数据。（6）第5个时钟，若操作符为ANDD，ADD或者XORR，算术运算器完成相应的计算；操作符为LDA，就把数据通过算术运算器送给累加器；操作符为SKZ，先判断累加器的值是否为0，若为0，PC加1，否则保持原值；操作符为JMP，锁存目的地址；操作符为STO，将数据写入地址处。 (7)第6个时钟，空操作。 (8)第7个时钟，若操作符为SKZ且累加器为0，则PC值再加1，跳过一条指令，否则PC无变化。 // Description: RISC-CPU 主状态机 // ----------------------------------------------------------------------------- module machine ( input clk , // Clock input ena , // Clock Enable input zero , // Asynchronous reset active low input [2:0] opcode , // OP code output reg inc_pc , // output reg load_acc , // output reg load_pc , // output reg rd , // output reg wr , // output reg load_ir , // output reg datactl_ena , // output reg halt ); reg [2:0] state ; //parameter parameter HLT = 3'b000 , SKZ = 3'b001 , ADD = 3'b010 , ANDD = 3'b011 , XORR = 3'b100 , LDA = 3'b101 , STO = 3'b110 , JMP = 3'b111 ; always@(negedge clk) begin if(!ena) //收到复位信号rst，进行复位操作 begin state <= 3'b000; {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else ctl_cycle; end //------- task ctl_cycle ------- task ctl_cycle; begin casex(state) 3'b000: //load high 8bits in struction begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0100; state <= 3'b001; end 3'b001://pc increased by one then load low 8bits instruction begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0100; state <= 3'b010; end 3'b010: //idle begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; state <= 3'b011; end 3'b011: //next instruction address setup 分析指令开始点 begin if(opcode == HLT)//指令为暂停HLT begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0001; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b100; end 3'b100: //fetch oprand begin if(opcode == JMP) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0010; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == ADD || opcode == ANDD || opcode == XORR || opcode == LDA) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == STO) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0010; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b101; end 3'b101://operation begin if(opcode == ADD || opcode == ANDD ||opcode ==XORR ||opcode == LDA)//过一个时钟后与累加器的内存进行运算 begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0101; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == SKZ && zero == 1)// & and && begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == JMP) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1010; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == STO) begin//过一个时钟后吧wr变为1，写到RAM中 {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b1010; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b110; end 3'b110: begin if(opcode == STO) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0010; end else if(opcode == ADD || opcode == ANDD || opcode == XORR || opcode == LDA) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b111; end 3'b111: begin if(opcode == SKZ && zero == 1) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b000; end default: begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; state <= 3'b000; end endcase end endtask endmodule 外围模块为了对RISC-CPU进行测试，需要对ROM、RAM和地址译码器进行设计。地址译码器模块说明：地址译码器用于产生选通信号，选通ROM或者RAM 1FFFH —— 1800H RAM（范围）：1_1xxx_xxxx_xxxx 17FFH —— 0000H ROM（范围）：0_xxxx_xxxx_xxxx+1_0xxx_xxxx_xxxx Verilog代码： // Description: RISC-CPU 地址译码器 // ----------------------------------------------------------------------------- module addr_decode ( input [12:0] addr , // Address output reg ram_sel , // Ram sel output reg rom_sel // Rom sel ); always@(addr)begin casex(addr) 13'b1_1xxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b01; 13'b0_xxxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b10; 13'b1_0xxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b10; default: {rom_sel,ram_sel} <= 2'b00; endcase end endmodule RAM 模块说明： RAM用于存放临时数据，可读可写。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU RAM模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module ram ( input ena , // Enable input read , // read Enable input write , // write Enable inout wire [7:0] data , // data input [9:0] addr // address ); reg [7:0] ram [10'h3ff:0] ; assign data = (read && ena )? ram[addr]:8'h zz; always@(posedge write) begin ram[addr] <= data; end endmodule ROM 模块说明： RAM用于存放只读数据。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU ROM模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module rom ( input [12:0] addr , input read , input ena , output wire [7:0] data ); reg [7:0] memory [13'h1ff:0]; assign data = (read && ena)? memory[addr]:8'b zzzz_zzzz; endmodule 顶层模块模块图：图片图片 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 顶层模块 // ----------------------------------------------------------------------------- //`include "clk_gen.v" //`include "accum.v" //`include "adr.v" //`include "alu.v" //`include "machine.v" //`include "counter.v" //`include "machinectl.v" //`iclude "machine.v" //`include "register.v" //`include "datactl.v" module RISC_CPU ( input clk , input reset , output wire rd , output wire wr , output wire halt , output wire fetch , //addr output wire [12:0] addr , output wire [12:0] ir_addr , output wire [12:0] pc_addr , inout wire [7:0] data , //op output wire [2:0] opcode ); wire [7:0] alu_out ; wire [7:0] accum ; wire zero ; wire inc_pc ; wire load_acc ; wire load_pc ; wire load_ir ; wire data_ena ; wire contr_ena ; wire alu_ena ; //inst clk_gen mclk_gen( .clk (clk ), .reset (reset ), .fetch (fetch ), .alu_ena (alu_ena ) ); register m_register( .data (data ), .ena (load_ir ), .rst (reset ), .clk (clk ), .opc_iraddr ({opcode,ir_addr} ) ); accum m_accum( .data (alu_out ), .ena (load_acc ), .clk (clk ), .rst (reset ), .accum (accum ) ); alu m_alu( .data (data ), .accum (accum ), .clk (clk ), .alu_ena (alu_ena ), .opcode (opcode ), .alu_out (alu_out ), .zero (zero ) ); machinectl m_machinectl( .clk (clk ), .rst (reset ), .fetch (fetch ), .ena (contr_ena ) ); machine m_machine( .inc_pc (inc_pc ), .load_acc (load_acc ), .load_pc (load_pc ), .rd (rd ), .wr (wr ), .load_ir (load_ir ), .clk (clk ), .datactl_ena(data_ena ), .halt (halt ), .zero (zero ), .ena (contr_ena ), .opcode (opcode ) ); datactl m_datactl( .in (alu_out ), .data_ena (data_ena ), .data (data ) ); adr m_adr( .fetch (fetch ), .ir_addr (ir_addr ), .pc_addr (pc_addr ), .addr (addr ) ); counter m_counter( .clock (inc_pc ), .rst (reset ), .ir_addr (ir_addr ), .load (load_pc ), .pc_addr (pc_addr ) ); endmodule Testbench Testbench包含三个测试程序,这个部分不能综合。 Test1程序 TEST1程序用于验证RISC-CPU的逻辑功能，根据汇编语言由人工编译的。若各条指令正确，应该在地址2E(hex)处，在执行HLT时刻停止。若程序在任何其他位置停止，则必有一条指令运行错误，可以按照注释找到错误的指令。 test1汇编程序：(.pro文件/存放于ROM) //机器码-地址-汇编助记符-注释 @00 //address statement 111_0000 //00 BEGIN: JMP TST_JMP 0011_1100 000_0000 //02 HLT //JMP did not work 0000_0000 000_00000 //04 HLT //JMP did not load PC skiped 0000_0000 101_1100 //06 JMP_OK: LDA DATA 0000_0000 001_00000 //08 SKZ 0000_0000 000_0000 //0a HLT 0000_0000 101_11000 //0C LDA DATA_2 0000_0001 001_00000 //0E SKZ 0000_0000 111_0000 //10 JMP SKZ_OK 001_0100 000_0000 //12 HLT 0000_0000 110_11000 //14 SKZ_OK: STO TEMP 0000_0010 101_11000 //16 LDA DATA_1 0000_0000 110_11000 //18 STO TEMP 0000_0010 101_11000 //1A LDA TEMP 0000_0010 001_00000 //1C SKZ 0000_0000 000_00000 //1E HLT 0000_0000 100_11000 //20 XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //22 SKZ 0000_0000 111_00000 //24 JMP XOR_OK 0010_1000 000_00000 //26 HLT 0000_0000 100_11000 //28 XOR_OK XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //2A SKZ 0000_0000 000_00000 //2C HLT 0000_0000 000_0000 //2E END 0000_0000 111_00000 //30 JMP BEGIN 0000_0000 @3c 111_00000 //3c TST_JMP IMR OK 0000_0110 000_00000 //3E HLT test1数据文件：（.dat/存放于RAM） /----------------------------------- @00 ///address statement at RAM 00000000 //1800 DATA_1 11111111 //1801 DATA_2 10101010 //1082 TEMPTest2程序 TEST1程序用于验证RISC-CPU的逻辑功能，根据汇编语言由人工编译的。这个程序是用来测试RISC-CPU的高级指令集，若执行正确，应在地址20（hex）处在执行HLT时停止。 test2汇编程序： @00 101_11000 //00 BEGIN 0000_0001 011_11000 //02 AND DATA_3 0000_0010 100_11000 //04 XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //06 SKZ 0000_0000 000_00000 //08 HLT 0000_0000 010_11000 //0A ADD DATA_1 0000_0000 001_00000 //0C SKZ 0000_0000 111_00000 //0E JMP ADD_OK 0001_0010 111_00000 //10 HLT 0000_0000 100_11000 //12 ADD_OK XOR DATA_3 0000_0010 010_11000 //14 ADD DATA_1 0000_0000 110_11000 //16 STO TEMP 0000_0011 101_11000 //18 LDA DATA_1 0000_0000 010_11000 //1A ADD TEMP 0000_0001 001_00000 //1C SKZ 0000_0000 000_00000 //1E HLT 0000_0000 000_00000 //END HLT 0000_0000 111_00000 //JMP BEGIN 0000_0000test2数据文件： @00 00000001 //1800 DATA_1 10101010 //1801 DATA_2 11111111 //1802 DATA_3 00000000 //1803 TEMPTest3程序 TEST3程序是一个计算0~144的斐波那契数列的程序，用来验证CPU整体功能。 test3汇编程序： @00 101_11000 //00 LOOP:LDA FN2 0000_0001 110_11000 //02 STO TEMP 0000_0010 010_11000 //04 ADD FN1 0000_0000 110_11000 //06 STO FN2 0000_0001 101_11000 //08 VLDA TEMP 0000_0010 110_11000 //0A STO FN1 0000_0000 100_11000 //0C XOR LIMIT 0000_0011 001_00000 //0E SKZ 0000_0000 111_00000 //10 JMP LOOP 0000_0000 000_00000 //12 DONE HLT 0000_0000test3数据文件： @00 00000001 //1800 FN1 00000000 //1801 FN2 00000000 //1802 TEMP 10010000 //1803 LIMIT完整的testbench Verilog代码： // Description: RISC-CPU 测试程序 // ----------------------------------------------------------------------------- `include "RISC_CPU.v" `include "ram.v" `include "rom.v" `include "addr_decode.v" `timescale 1ns/1ns `define PERIOD 100 // matches clk_gen.v module cputop_tb; reg [( 3 * 8 ): 0 ] mnemonic; // array that holds 3 8 bits ASCII characters reg [ 12 : 0 ] PC_addr, IR_addr; reg reset_req, clock; wire [ 12 : 0 ] ir_addr, pc_addr; // for post simulation. wire [ 12 : 0 ] addr; wire [ 7 : 0 ] data; wire [ 2 : 0 ] opcode; // for post simulation. wire fetch; // for post simulation. wire rd, wr, halt, ram_sel, rom_sel; integer test; //-----------------DIGITAL LOGIC---------------------- RISC_CPU t_cpu (.clk( clock ),.reset( reset_req ),.halt( halt ),.rd( rd ),.wr( wr ),.addr( addr ),.data( data ),.opcode( opcode ),.fetch( fetch ),.ir_addr( ir_addr ),.pc_addr( pc_addr )); ram t_ram (.addr ( addr [ 9 : 0 ]),.read ( rd ),.write ( wr ),.ena ( ram_sel ),.data ( data )); rom t_rom (.addr ( addr ),.read ( rd ), .ena ( rom_sel ),.data ( data )); addr_decode t_addr_decoder (.addr( addr ),.ram_sel( ram_sel ),.rom_sel( rom_sel )); //-------------------SIMULATION------------------------- initial begin clock = 0; // display time in nanoseconds $timeformat ( -9, 1, "ns", 12 ); display_debug_message; sys_reset; test1; $stop; test2; $stop; test3; $finish; // simulation is finished here. end // initial task display_debug_message; begin $display ("\n************************************************" ); $display ( "* THE FOLLOWING DEBUG TASK ARE AVAILABLE: *" ); $display ( "* \"test1;\" to load the 1st diagnostic program. *"); $display ( "* \"test2;\" to load the 2nd diagnostic program. *"); $display ( "* \"test3;\" to load the Fibonacci program. *"); $display ( "************************************************\n"); end endtask // display_debug_message task test1; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test1.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test1.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 1; #14800; sys_reset; end endtask // test1 task test2; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test2.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test2.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 2; #11600; sys_reset; end endtask // test2 task test3; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test3.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test3.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 3; #94000; sys_reset; end endtask // test1 task sys_reset; begin reset_req = 0; #( `PERIOD * 0.7 ) reset_req = 1; #( 1.5 * `PERIOD ) reset_req = 0; end endtask // sys_reset //--------------------------MONITOR-------------------------------- always@( test ) begin: MONITOR case( test ) 1: begin // display results when running test 1 $display("\n*** RUNNING CPU test 1 - The Basic CPU Diagnostic Program ***"); $display("\n TIME PC INSTR ADDR DATA "); $display(" ------ ---- ------- ------ ------ "); while( test == 1 )@( t_cpu.pc_addr ) begin // fixed if(( t_cpu.pc_addr % 2 == 1 )&&( t_cpu.fetch == 1 )) begin // fixed #60 PC_addr <= t_cpu.pc_addr - 1; IR_addr <= t_cpu.ir_addr; #340 $strobe("%t %h %s %h %h", $time, PC_addr, mnemonic, IR_addr, data ); // Here data has been changed t_cpu.m_register.data end // if t_cpu.pc_addr % 2 == 1 && t_cpu.fetch == 1 end // while test == 1 @ t_cpu.pc_addr end 2: begin // display results when running test 2 $display("\n*** RUNNING CPU test 2 - The Basic CPU Diagnostic Program ***"); $display("\n TIME PC INSTR ADDR DATA "); $display(" ------ ---- ------- ------ ------ "); while( test == 2 )@( t_cpu.pc_addr ) begin // fixed if(( t_cpu.pc_addr % 2 == 1 )&&( t_cpu.fetch == 1 )) begin // fixed #60 PC_addr <= t_cpu.pc_addr - 1; IR_addr <= t_cpu.ir_addr; #340 $strobe("%t %h %s %h %h", $time, PC_addr, mnemonic, IR_addr, data ); // Here data has been changed t_cpu.m_register.data end // if t_cpu.pc_addr % 2 == 1 && t_cpu.fetch == 1 end // while test == 2 @ t_cpu.pc_addr end 3: begin // display results when running test 3 $display("\n*** RUNNING CPU test 3 - An Executable Program **************"); $display("***** This program should calculate the fibonacci *************"); $display("\n TIME FIBONACCI NUMBER "); $display(" ------ -----------------_ "); while( test == 3 ) begin wait( t_cpu.opcode == 3'h 1 ) // display Fib. No. at end of program loop $strobe("%t %d", $time, t_ram.ram [ 10'h 2 ]); wait( t_cpu.opcode != 3'h 1 ); end // while test == 3 end endcase // test end // MONITOR: always@ test //-------------------------HALT------------------------------- always@( posedge halt ) begin // STOP when HALT intruction decoded #500 $display("\n******************************************"); $display( "** A HALT INSTRUCTION WAS PROCESSED !!! **"); $display( "******************************************"); end // always@ posedge halt //-----------------------CLOCK & MNEMONIC------------------------- always#(`PERIOD / 2 ) clock = ~ clock; always@( t_cpu.opcode ) begin // get an ASCII mnemonic for each opcode case( t_cpu.opcode ) 3'b 000 : mnemonic = "HLT"; 3'b 001 : mnemonic = "SKZ"; 3'b 010 : mnemonic = "ADD"; 3'b 011 : mnemonic = "AND"; 3'b 100 : mnemonic = "XOR"; 3'b 101 : mnemonic = "LDA"; 3'b 110 : mnemonic = "STO"; 3'b 111 : mnemonic = "JMP"; default : mnemonic = "???"; endcase end endmodule $ readmemb ( "test1. pro" ,t_ rom. . memory ); $ readmemb ( "testl. dat",t_ ram_ . ram); 即可把编译好的汇编机器码装人虚拟ROM,把需要参加运算的数据装人虚拟RAM就可以开始仿真。上面语句中的第一项为打开的文件名,后一项为系统层次管理下的ROM模块和RAM模块中的存储器memory和ram。源代码&脚本见文章末尾前仿真结果 test1 图片 test2 图片 test3 图片图片 DC后仿真采用SMIC180工艺在典型环境下进行测试时序报告：图片面积报告：图片功耗报告：图片综合电路图：图片图片图片总结该项目更加偏向于教学练习，CPU也是数字IC的重要研究方向，对此感兴趣的同学可以找点论文和开源资料进行学习。可以进一步优化如流水线、运算单元，扩展成SOC系统等。源代码&脚本

FPGA&ASIC IP&SOC设计 # ASIC/FPGA # SOC设计

刘航宇 3年前
15 2,240 7
2023-04-06
【硬件算法】Verilog之FPGA实现信号移相法摘要本文介绍了使用FPGA实现信号移相的方法，通过Verilog代码实现0-360度连续可调的相位移位。该算法基于边沿检测与分频，适用于数字中频信号处理。关键词：FPGA, 信号移相, Verilog, 数字中频信号, 边沿检测实现信号移相可以用FPGA控制信号0-360度连续可调，对于高频信号（1GHZ以上）超出了FPGA工作频率还有一种办法是FPGA-》DA-》射频前端-》移相器-》阻抗匹配-》天线。本案例直接采用FPGA对数字中频信号处理（kHZ、MHZ）本质是边沿检测与分频现象：图片代码： /* Function : Phase Shift Interface : clk_fre---unit(MHZ) din_fre---unit(KHz) phase_angle---unit(0-360 Angle) Date: 2023/04/05 Description: Phase shift is carried out on the input square wave. The phase Angle unit is Angle (0-360), or the input can be greater than 360. The system clock unit is MHz and the input signal clock is KHz. */ module PhaseShift( input clk, //clk input rst_n, //rest input [7:0] clk_fre, //system clock frequency,MHZ input [15:0] din_fre, //input signal clock frequency,KHZ input [8:0] phase_angle, //phase shift angle input din, //input signal output reg dout //output signal ); reg [31:0] posedge_counter; reg [31:0] negedge_counter; reg [31:0] delay_counter; reg in_posedge_flg; reg in_negedge_flg; reg out_posedge_flg; reg out_negedge_flg; reg old_din; reg init_data=1'b1; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin posedge_counter <= 1'b0; negedge_counter <= 1'b0; in_posedge_flg <= 1'b0; in_negedge_flg <= 1'b0; out_posedge_flg <= 1'b0; out_negedge_flg <= 1'b0; end else begin if(~old_din & din) in_posedge_flg = 1'b1; if(old_din & ~din) in_negedge_flg = 1'b1; old_din <= din; if(init_data) begin delay_counter <= ((1000000000)/din_fre*clk_fre)/360*(phase_angle%360)/1000000; dout <= din ; init_data <= 1'b0; end if(in_posedge_flg && posedge_counter <= delay_counter) begin posedge_counter <= posedge_counter + 1'b1 ; out_posedge_flg <= 1'b0; end else begin posedge_counter <= 1'b0 ; in_posedge_flg <= 1'b0 ; if(~out_posedge_flg) begin dout <= 1'b1 ; out_posedge_flg <= 1'b1 ; end end if (in_negedge_flg && negedge_counter <= delay_counter) begin negedge_counter <= negedge_counter + 1'b1 ; out_negedge_flg <= 1'b0 ; end else begin negedge_counter <= 1'b0 ; in_negedge_flg <= 1'b0 ; if(~out_negedge_flg) begin dout <= 1'b0 ; out_negedge_flg <= 1'b1; end end end end endmodule测试代码： `timescale 100ps/10ps // module test_PhaseShift; reg clk; reg rst_n; reg [7:0] clk_fre; //system clock frequency,MHZ reg [15:0] din_fre ; //input signal clock frequency,KHZ reg [8:0] phase_angle; //phase shift angle reg din ; //input signal wire dout ; //output signal initial begin clk = 0; din = 0; din_fre = 4000; phase_angle = 90; clk_fre = 100; rst_n = 1; #12 rst_n = 0; #4 rst_n = 1; #10000 $stop; //end end always #5 clk = ~clk; always #125 din = ~din; PhaseShift u1( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .clk_fre(clk_fre), .din_fre(din_fre), .phase_angle(phase_angle), .din(din), .dout(dout) ); endmodule

FPGA&ASIC 软硬件算法 # ASIC/FPGA # 硬件算法

刘航宇 3年前
0 1,663 3
3~4月的花花，浅浅的记录一下~ 摘要记录了长安区3~4月期间拍摄的各种花卉照片。关键词：3~4月花, 长安区, 花卉摄影, 春季花卉, 花卉图片最近在长安区遇到的3~4月的花花，浅浅的记录一下~ 图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片图片

我的随笔 # 随笔

刘航宇 3年前
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关于作者：刘航宇，FPGA工程师，西北大学电子系硕士，有多年西北大学电子通信考研辅导和FPGA与嵌入式项目指导经验

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2026-09-16

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guy
2026-09-11

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Guest
2026-09-07

很好的插件。感谢！