三段式序列检测器的实现

你的名字 2022-07-17 04:37 147阅读 0赞

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reference : http://www.cnblogs.com/yulongchen/archive/2013/02/13/2911046.html

第一次用verilog上机建模，深刻体会到看书所掌握不到的体会。有时候看书无法细心观察到的东西，在敲实验代码的时候，或许能够体现出来。现将第一次的体会记录如下。

还是先将verilog代码写下

1 /************************************************************************
     2 模块作者：灰色的鱼
     3 编写时间：13:52 2013/2/13
     4 模块功能：对串行输入的数据流进行检测。只要发现10010序列，就立即输出高电平。
     5 *************************************************************************/
     6 module seqdet(x,z,clk,rst_n);
     7 input clk,rst_n;
     8 input x;
     9 output z;
    10 
    11 reg z;
    12 reg [2:0] pstate,nstate;
    13 
    14 parameter s1=3'd0,
    15           s2=3'd1,
    16           s3=3'd2,
    17           s4=3'd3,
    18           s5=3'd4,
    19           s6=3'd5;
    20         //* 使用热独码会更好些。        
    
       //第一段： 现态与次态转换  时序电路
    21 always @(posedge clk or negedge rst_n)
    22 begin
    23     if(!rst_n)
    24         pstate<=s1;
    25     else
    26         pstate<=nstate;
    27 end
    28
    
       //第二段：各种状态间的跳变。 组合电路
    29 always @(pstate or x)
    30 begin
    31     case(pstate)
    32         s1:
    33             if(x==1)
    34                 nstate=s2;
    35             else
    36                 nstate=s1;
    37         s2:
    38             nstate=x?s2:s3;
    39         s3:
    40             nstate=x?s2:s4;
    41         s4:
    42             nstate=x?s5:s1;
    43         s5:
    44             nstate=x?s2:s6;
    45         s6:
    46             nstate=x?s2:s4;
    47         default:
    48             nstate=s1;
    49         endcase
    50 end
    51 
       //第三段：确定最终的状态
    52 always @(pstate or x or rst_n)
    53 begin
    54     if(!rst_n==1)
    55         z=1'b0;
    56     else if(pstate==s5 && x==0)
    57                 z=1'b1;
    58          else
    59             z=1'b0;
    60 end
    61 
    62 endmodule

然后是testbench的代码：

1 `timescale 1 ns/ 1 ps
     2 module seqdet_vlg_tst();
     3 
     4 reg clk;
     5 reg rst_n;
     6 wire x;                                             
     7 wire z;
     8 
     9 reg[19:0] data;
    10 
    11 assign x=data[19];
    12                           
    13 seqdet i1 (
    14   
    15     .clk(clk),
    16     .rst_n(rst_n),
    17     .x(x),
    18     .z(z)
    19 );
    20 
    21 initial                                                
    22 begin                                                  
    23                         
    24     clk=0;
    25     rst_n=0;
    26     #500 rst_n=1; 
    27     data=20'b1100_1001_0000_1001_0100;                                                                                              
    28     #(100*100) $stop;                     
    29 end 
    30                                                    
    31 always                                                                                                                                        
    32     #50 clk=~clk; 
    33                                                                                                                                                    
    34 always @(posedge clk)
    35 begin
    36     #2 data={data[18:0],data[19]};
    37 end 
    38                                                
    39 endmodule

用Modelsim进行综合前仿真，波形如下：（波形从上到下依次是clk，rst\_n，x，z），x用于序列输入，z为检测到"10010"序列之后的输出。

![f130f4f3b59cd4ab041723c68136f896.png][]

从第一次实验中得到了几点经验，当然在以后的学习之中还需好好注意：

1.  写testbench时候，\`timescale输入问题，t前面的符号是键盘左上角‘1’左边那个键。而3'd0中的符号是引号那个键。这在看书的时候，不细心发现，还不容易察觉。重点是作者也没强调。 (区分单引号与反引号）
2.  软件问题。话了挺长时间弄软件（指的是Modelsim），加上本身对自己写的代码不是特别自信，所以到了后来才发现软件有问题。按照网络上各种方法医治，都无果。没有办法了，自豪使用免费版本的Modelsim（不过，学习的话真的够用了）。
3.  Verilog的相关语法：

A． 关于阻塞赋值与非阻塞赋值的用法区别。

B． assign语句赋值号左边只能是wire类型（只在wire与reg型之中做讨论）。而always快语句中，被赋值的只能是reg类型。

4.在Quartus II中进行中文注释时，往往不能直接输入。最好的方法是先在记事本里将注释写好，然后copy到Quartus II里去。

5．对数字的写法不要忘记是<位数>’<进制><数字>。

**扩展1:**

reference : http://blog.csdn.net/hyhop150/article/details/51252052 (博客中有CPU的部分，写个不错）

序列检测器用于检测一组或多组由二进制码组成的脉冲序列信号，当序列检测器连续收到一组串行二进制码后，如果这组码与检测器中的预设值相同则输出1，否则输出0

问题描述：

![Center][]

状态转换图：

![Center 1][]

在这里需要注意的是，Mealy状态机和Moore状态机不同，他的输出是由输入与当前状态共同决定的因此有：

![Center 2][]

实现代码如下：

![Center 3][]

在设计时值得注意的是，因为目标序列中都存在子序列“10"因此可以有效序列中肯定存在子序列”10“所以可以通过控制状态机的输入输出情况来进行序列检测

测试文件：

initial begin  
            // Initialize Inputs  
            clk = 0;        check = 0;  
            num = 1;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 1;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 0;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 1;        #20;        num = 0;        #20;  
            num = 1;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 0;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 1;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 1;        #20;        num = 1;        #20;  
            num = 0;        #20;        num = 1;        #20;          
        end  
          
       always #1 clk = ~clk;  
        always #10 check = ~check;

仿真结果： ![Center 4][]

**扩展2：**

reference : http://www.cnblogs.com/CodeWorkerLiMing/archive/2012/05/22/2513869.html

在数字电路中，FSM(有限状态机)的使用还是比较普遍的，下面举一个序列检测器。

verilog（Detector110.v）代码如下：

/*
    finite state machine----FSM
    implemente file
    有限状态机的实例
    2012/05/22
    Iverilog + GTKWave in windows XP sp3
    */
    
    `timescale 1ns/100ps
    
    module Detector110(input a, clk, reset, output w);
        parameter [1:0] s0 = 2'b00,
                        s1 = 2'b01,
                        s2 = 2'b10,
                        s3 = 2'b11;
        reg [1:0] current;
        //两段式：
        always @ (posedge clk)
            begin
                if(reset)
                    current = s0;
                else
                    case (current)
                    s0:    if(a) current <= s1;
                        else current <= s0;
                    s1: if(a) current <= s2;
                        else current <= s0;
                    s2: if(a) current <= s2;
                        else current <= s3;
                    s3: if(a) current <= s1;
                        else current <= s0;
                endcase
            end
            
            assign w = (current == s3) ? 1 : 0;
    endmodule

再写一个testbench文件test\_tb.v：

/*
    finite state machine----FSM
    testbench file for Detector110.v
    有限状态机的实例
    2012/05/22
    Iverilog + GTKWave in windows XP sp3
    */
    
    `timescale 1ns/100ps
    
    module test;
        reg aa, clk, rst;
        wire ww;
        Detector110 UUT(aa, clk, rst, ww);
        
        initial
            begin
                aa = 0;
                clk = 0;
                rst = 1;
            end
        
        initial
            repeat (44) #7 clk = ~clk;
        
        initial
            repeat (15) #23 aa = ~aa;
        
        initial
            begin
                #31 rst = 1;
                #23 rst = 0;
            end
        
        always @ (ww)
            if(ww == 1)
                $display("A 1 was detector on w at time = %t,",$time);
                
        initial
            begin            
                $dumpfile("test.vcd");
                $dumpvars;
            end
    endmodule

写一个批处理文件go.bat：

ECHO OFF
    ECHO *********************************
    ECHO *        Batch file
    ECHO *********************************
    ECHO *
    ECHO ON
    iverilog -o test Detector110.v test_tb.v
    vvp -n test -lxt2
    cp test.vcd test.lxt
    gtkwave test.lxt

执行之后：

E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>go.bat
    
    E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>ECHO OFF
    *********************************
    *        Batch file
    *********************************
    *
    
    E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>iverilog -o test Detector110.v test_tb.v
    
    E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>vvp -n test -lxt2
    LXT2 info: dumpfile test.vcd opened for output.
    A 1 was detector on w at time =                 1050,
    A 1 was detector on w at time =                 1470,
    A 1 was detector on w at time =                 1890,
    A 1 was detector on w at time =                 2870,
    
    E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>cp test.vcd test.lxt
    
    E:\lm\verilog\iverilog\MooreState>gtkwave test.lxt

之后启动了GTKWave，截图如下：

![08e55a8d6b465e9ed665bb875150888f.png][]

![21997ab06c4653397bda8962da887521.png][]

哈哈！不错诶！

这里解释一下testbench里的

\`timescale 1ns/100ps

这里表明仿真的时间单位为ns，而仿真的时间精度为100ps，即0.1ns，这意味着可以在程序中使用小数的时间值为0.1ns。

**扩展3：**

reference: http://home.eeworld.com.cn/my/space-uid-611861-blogid-255101.html

我学习verilog是参考的北航夏宇闻老师《verilog数字系统设计教程》。对其中第15章，例15.1的序列检测器的8个状态表示不能理解到位，自己结合之前学习的数字电路教程，写出了5个状态的状态机实现。现在就我设计的5个状态的状态机做一些说明。希望大家能告诉我夏老师教材中的这8个状态的设计原因以及你的想法。

讨论来自--较复杂时序逻辑实践第15章--夏宇闻

序列检测器10010

在时序逻辑的设计中，我初学常没有直接写出状态转移图的直觉，这次设计，用到了数字电路基础中，设计状态转移表，再去设计状态转移图。这样在设计中，只用到了5个状态，分别是IDLE, S1,S2,S3,S4这四个状态。其中，在化简时，将S5和S2化简成为一个状态S2。

其中各个状态

X：输入

Z：输出（当输入序列为10010时，输出为1，否则为0）

S0(IDLE):没有收到一个有效的数

S1:收到1个有效的数

S2:收到2个有效的数

S3:收到3个有效的数

S4:收到4个有效的数

S5:收到5个有效的数

根据要求，我设计一个mealy型的状态转移图，然后想根据状态转移表，设计有限状态机。

[![8844239ec9bea039e5a9d730676d1d4d.png][]][8844239ec9bea039e5a9d730676d1d4d.png 1]

我看到S5和S2状态重叠，则化简状态转移图，将S5和S2合并为S2

新图为

[![28ebda17b7c001e49aa9da704985e6c7.png][]][28ebda17b7c001e49aa9da704985e6c7.png 1]

则状态转移图为[![e460c675b3a1d9a678fe63e16ef1e2bf.png][]][e460c675b3a1d9a678fe63e16ef1e2bf.png 1]

在设计有限状态机时候，特别注意抓三点：输入，输出，确立状态（当前状态，下一状态）

这里用独热码来分配状态

IDLE = 5'b00001,
    
    S1  = 5'b00010,
    
    S2  = 5'b00100,
    
    S3  = 5'b01000,
    
    S4  = 5'b10000;
    
    代码如下
    
    //------------------SEQDET.v----------------------------------------
    
    module SEQDET(State,Z,X,Clk,Rst_n
    
        );
    
    //-------------定义输入输出-----------------
    
    input X,Clk,Rst_n;
    
    output Z;
    
    output [4:0] State;
    
    //------------定义内部寄存器----------------
    
    reg [4:0] State;
    
    wire Z;
    
    //-------------确定状态变量-----------------
    
    parameter IDLE = 5'b00001,
    
     S1   = 5'b00010,
    
     S2   = 5'b00100,
    
              S3   = 5'b01000,
    
                  S4   = 5'b10000;
    
    //---------------实现功能-------------------
    
    assign Z=((State==S4)&&(X==0));//如果第四位正确而且下一位输入变量X是0
    
    always@(posedge Clk)
    
    if(!Rst_n)
    
    begin
    
    State <= IDLE;
    
    end
    
    else
    
    case(State)
    
    IDLE:
    
    if(X==1)
    
    State <= S1;
    
    else
    
    State <= IDLE;
    
    S1:
    
    if(X==0)
    
    State <= S2;
    
    else
    
    State <= S1;
    
    S2:
    
    if(X==0)
    
    State <= S3;
    
    else
    
    State <= S1;
    
    S3:
    
    if(X==1)
    
    State <= S4;
    
    else
    
    State <= IDLE;
    
    S4:
    
    if(X==0)
    
    State <= S2;
    
    else
    
    State <= S1;
    
    default:
    
    State <= IDLE;
    
    endcase
    
    endmodule

//--------------------------------代码如下------------------------------------------------------------
    `timescale 1ns / 1ps
    module SEQDET(State,Z,X,Clk,Rst_n
        );
    //-------------定义输入输出-----------------
    input X,Clk,Rst_n;
    output Z;
    output [4:0] State;
    //------------定义内部寄存器----------------
    reg [4:0] State;
    wire Z;
    //-------------确定状态变量-----------------
    parameter IDLE = 5'b00001,
     S1   = 5'b00010,
     S2   = 5'b00100,
              S3   = 5'b01000,
                  S4   = 5'b10000;
    //---------------实现功能-------------------
    
    assign Z=((State==S4)&&(X==0));//如果第四位正确而且下一位输入变量X是0
    
    always@(posedge Clk)
    if(!Rst_n)
    begin
    State <= IDLE;
    end
    else
    case(State)
    IDLE:
    if(X==1)
    State <= S1;
    else
    State <= IDLE;
    S1:
    if(X==0)
    State <= S2;
    else
    State <= S1;
    S2:
    if(X==0)
    State <= S3;
    else
    State <= S1;
    S3:
    if(X==1)
    State <= S4;
    else
    State <= IDLE;
    S4:
    if(X==0)
    State <= S2;
    else
    State <= S1;
    default:
    State <= IDLE;
    endcase
    
    endmodule

//----------------------------------------------测试文件--------------------------------------------
    `timescale 1ns / 1ps
    `define CLKCYCLE 50
    module TEST_SEQDET;
    
    // Inputs
    
    reg Clk;
    reg Rst_n;
    reg [23:0] data;
    
    // Outputs
    wire [4:0] State;
    wire Z;
    wire X;
    assign X=data[23];
    // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    SEQDET UTEST_SEQDET (
    .State(State), 
    .Z(Z), 
    .X(X), 
    .Clk(Clk), 
    .Rst_n(Rst_n)
    );
    always #`CLKCYCLE Clk=~Clk;
    initial begin
    
    Clk = 0;
    Rst_n = 0;
    #100;
    #100 Rst_n = 1;
    data= 20'b1100_1001_0000_1001_0100;//移位输出
    #(`CLKCYCLE*1000)$stop;
    end
       always@(posedge Clk)
    #2 data={data[22:0],data[23]};
    endmodule

//---------------------------------------仿真波形----------------------------------------------------

[![fc000f5ee63ecd16a9567c485c625c3c.png][]][fc000f5ee63ecd16a9567c485c625c3c.png 1]

如图，观察波形，确实也实现了序列检测器的功能。

这里有些疑问：

教材的那八个状态是怎么观察分配出来的呢？尤其是F,G这两个状态，是怎么找出来的？

希望浏览过我贴子的FPGA爱好者能给予解答。

还有，因为喜欢电子，电子工程世界网站的页面规划还蛮有条有理的，我打算常驻这个论坛了。希望更多的电子爱好者能把一些平时遇到的问题还有经验总结下来。如果可以提供开源的项目代码那是更好了。希望咱们电子界能有好的学习气氛。

\---------------------------------------------------此帖因为有论坛留言重新编辑---------------------------------------------------------

**留言的主要问题是：序列检查器应该能检查出10010，但10010出现后应该有一个信号表明已经发现该序列，但当后面还有010出现时您设计的序列检查器能不能发现这也符合10010序列。虽然这两个相同序列有一部重合。即后面有效序列中的最前的10其实是属于上一个有效序列最后两个比特。您考虑了这个问题了吗？**

**答：我在之前的设计中注意到重叠序列的检测，在代码中用IDLE,S1-S4来避免了重叠序列不能检测出的问题。**

鉴于ID为夏宇闻的用户在此帖下面留言我重新查看了我的这的这个讨论帖，并再次仿真了波形，用红色记号标出了序列检测器对于重叠序列可以正常检测的结果，现在将仿真结果再附图如下：

[![74729400024ce1fe3118e979241bd08f.png][]][74729400024ce1fe3118e979241bd08f.png 1]

开始阶段

[![416576c37aa4abbdcdab8dbdb27a525f.png][]][416576c37aa4abbdcdab8dbdb27a525f.png 1]

中间部分仿真

[![28a44293b0a4dc0bd2788aefe182c17f.png][]][28a44293b0a4dc0bd2788aefe182c17f.png 1]

标记的是信号检测器的输出和输出，X为输入，Z为输出，经过代码设计和仿真观察，我的设计能够检查出重叠序列。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpbWFuamloZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

[f130f4f3b59cd4ab041723c68136f896.png]: /images/20220717/284c744e0a0b4accaa4815340370641e.png
[Center]: /images/20220717/e923818847f04b1db2acfbcaf626f052.png
[Center 1]: /images/20220717/68d728e0950c48e0a7a41b7162de2a58.png
[Center 2]: /images/20220717/df54bbdde87648389712e50a76bf1226.png
[Center 3]: /images/20220717/ee1f46006d7e42a0ae9d16baa445c2e1.png
[Center 4]: /images/20220717/d558cea348e543bca1a4e415e1bf2203.png
[08e55a8d6b465e9ed665bb875150888f.png]: /images/20220717/81d38a11fba0491ab5bd650b66d76311.png
[21997ab06c4653397bda8962da887521.png]: /images/20220717/3388fe2d48824d20ab5438397d368024.png
[8844239ec9bea039e5a9d730676d1d4d.png]: /images/20220717/d89781da847a4ec4a697b0384b907ac5.png
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[28ebda17b7c001e49aa9da704985e6c7.png]: /images/20220717/26e1b4d6d7fb434488727115d7c79386.png
[28ebda17b7c001e49aa9da704985e6c7.png 1]: http://home.eeworld.com.cn/data/attachment/album/201504/29/223410eob7rpuie7b9pu4m.jpg%5C%22+target=%5C%22_blank%5C%22+target=%5C%22_blank
[e460c675b3a1d9a678fe63e16ef1e2bf.png]: /images/20220717/b36b5e40972040d0af6185227e0258ea.png
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[fc000f5ee63ecd16a9567c485c625c3c.png]: /images/20220717/7b8877f9b3134a9a92a916f0f883fbb5.png
[fc000f5ee63ecd16a9567c485c625c3c.png 1]: http://home.eeworld.com.cn/data/attachment/album/201504/29/224034fh0985du6tznbuth.jpg%5C%22+target=%5C%22_blank%5C%22+target=%5C%22_blank
[74729400024ce1fe3118e979241bd08f.png]: /images/20220717/aab00094a09f439b83013f0ccb4b40b4.png
[74729400024ce1fe3118e979241bd08f.png 1]: http://home.eeworld.com.cn/data/attachment/album/201505/16/192210lz6ng0ysn26wwc05.jpg%5C%22+target=%5C%22_blank
[416576c37aa4abbdcdab8dbdb27a525f.png]: /images/20220717/942d70c847054cf5afc101d58113a4af.png
[416576c37aa4abbdcdab8dbdb27a525f.png 1]: http://home.eeworld.com.cn/data/attachment/album/201505/16/192210c24in46zuq2i2e2a.jpg%5C%22+target=%5C%22_blank%5C%22+.=%5C%22line-height:+1.8em;
[28a44293b0a4dc0bd2788aefe182c17f.png]: /images/20220717/223a6167b95f4ce1b52702104de09cd6.png
[28a44293b0a4dc0bd2788aefe182c17f.png 1]: http://home.eeworld.com.cn/data/attachment/album/201505/16/192210qvueezectcweoe5e.jpg%5C%22+target=%5C%22_blank%5C%22+.=%5C%22line-height:+1.8em;
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpbWFuamloZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220717/41172b8e374b4220aae54db7a0f2fcaa.png