解读 8 位移位寄存器的设计

8 位移位寄存器的设计

先了解下 8 位移位寄存器的设计的原理，先从基础开始：要求掌握 8 位移位寄存器原理，并根据原理设计 8 位移位寄存器模块以及设计相关testbench，最后在 Robei 可视化仿真软件进行功能实现和仿真验证。
首先：有一个 8 比特的数据（初值设为 10011100）和一个移位设置数据 s，根据 s 的值不同，产生不同的移位。这里规定移位的方向是向右，由于是 8 比特，因此 s 的变化范围为 0 到 7。

****第一步shift 模型设计
（1）新建一个模型命名为 shift，类型为 module，同时具备 5 个输入和 1 个输出，每个引脚的属性和名称进行对应的修改


（2）添加代码。点击模型下方的 Code 添加代码。

always@(posedge clk or negedge clr) 
begin: shift_reg
if(clr) 
data_out <= 8'b0;
else if(en) 
begin 
case(set[2:0])
3'b0: data_out <= data_in[7:0]; 
3'b1: data_out <= {data_in[0],data_in[7:1]};
3'd2: data_out <= {data_in[1:0],data_in[7:2]};
3'd3: data_out <= {data_in[2:0],data_in[7:3]};
3'd4: data_out <= {data_in[3:0],data_in[7:4]};
3'd5: data_out <= {data_in[4:0],data_in[7:5]};
3'd6: data_out <= {data_in[5:0],data_in[7:6]};
3'd7: data_out <= {data_in[6:0],data_in[7]};
default: data_out <= data_in[7:0];
endcase
end
end

（3）保存模型到一个文件夹(文件夹路径不能有空格和中文)中，编译并检查有无错误输出。
Robei软件中保存文件的时候文件名不能有空格河中文，同时要把设计文件和测试文件一起保存到一个文件夹。

第二步： shift_test 测试文件设计
1、新建一个具有 5 个输入和 1 个 输出的 shift_test 测试文件，记得将 Module Type 设置为“testbench”，各个引脚配置。

2、另存为测试文件。将测试文件保存到上面创建的模型所在的文件夹下。
3、加入模型。在 Toolbox 工具箱的 Current 栏里会出现模型，单击该模型并在 shift _test上添加，并连接引脚

（4）输入激励。点击测试模块下方的“Code”，输入激励算法。激励代码在结束的时候要用**$finish** 结束。

测试代码：

initial begin
clock=0;
clr=0;
en=1;
data=8'b10011100;
set=0;
#1 clr=1;
#2 clr=0;
#40 $finish;
end
always #1 clock=~clock; 
always #2 set=set+1;

5、执行仿真并查看波形。查看输出信息。
检查没有错误之后查看波形。点击右侧 Workspace 中的信号，进行添加并查看分析仿真结果。

第三步：shift_constrain 测试文件的设计

（1）新建一个模块，命名为 shift_constrain，模块类型选择为 constrain，具有 14 个输入和 8个输出

（2）修改端口名称并进行连线。其中，shift 模块的输入 data_in 和输出 data_out 分别对应 8
个端口，输入 set 对应 3 个端口。本设计中，各个端口对应的开发板引脚如下所示：
clk 对应开发板按键开关 R18；
clr 对应开发板按键开关 P16；
en 对应开发板拨码开关 T16；
set[0],set[1],set[2]对应 G15，P15，W13；
data_in[0]——data_in[7]分别对应 V12，W16，J15，H15，V13，U17，T17，Y17；
data_out[0]——data_out[7]分别对应 T14，T15，P14，R14，U14，U15，V17，V18；
输入 data_in 对应的连线名称需要改成 0——7，set 的连线名称则要改成 0,1,2。修改后的约束模块

（3）保存并执行，如果软件显示“Generate constrain file complete”，说明约束文件已经成功生成。

接下来将通过视频讲解怎样设计：

怎样快速设计移位寄存器

板级验证

为了测试所设计 shift 的工作特性，选择开发板搭载 XILINX 公司的 Z-7010 芯片，选用VIVADO 设计平台进行 SynthesisImplementation 和 Generate Bitstream，最终将生成的数据流文件下载到开发板内，并进行验证。

1. VIVADO 设计平台进行后端设计
   1.1 启动 Vivado 软件并选择设备 XC7Z010CLG400-1（ZYBO）作为硬件对象，设计语言选用 Verilog，建立新的工程，添加通过 Robei 设计的文件 shift.v。
   （1）打开 Vivado，选择开始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado2013.4> Vivado2013.4； （2）单击创建新项目 Create New Project 启动向导。你将看到创建一个新的 Vivado 项目对话框，单击 Next； （3）在弹出的对话框中输入工程名shift及工程保存的位置，并确保Create project subdirectory复选框被选中，单击 Next；
   
   （4）选择项目类型表单的 RTL Project 选项，不勾选 Do not specify sources at this time 复选框，然后单击 Next；
   （5）使用下拉按钮，选中 Verilog 作为目标文件和仿真语言；
   （6）点击添加 Add Files 按钮，浏览到刚刚我们 Robei 项目的目录下打开 Verilog 文件夹，选择 shift.v，单击 Open，然后单击 Next 去添加现有的 IP 模型；
   （7）由于我们没有任何的 IP 添加，跳过这一步，直接单击 Next 去添加约束形成；
   （8）点击添加 Add Files 按钮，浏览到刚刚建立约束模块目录下的 constrain 文件夹，选择shift_constrain.xdc，单击 Open 进行添加，然后单击 Next；
   （9）在默认窗口中，按照图，设置 Filer 中的选项，然后在 Parts 中选择对应的
   XC7Z010CLG400-1，单击 Next；
   （10）单击 Finish，本 Vivado 项目创建成功。
   
   打开 shift_constrain.xdc 文件，查看引脚约束源代码。
   （1）在资源窗口 sources 中，展开约束文件夹，然后双击即可打开uart_led_pins.xdc 进入文本编辑模式；
   
   （2）Xilinx 设计约束文件分配 FPGA 位于主板上的开关和指示灯的物理 IO 地址，这些信息可以通过主板的原理图或电路板的用户手册来获得。本次设计的约束文件代码是通过 Robei 软件自动生成，但是，Robei 软件目前生成的约束代码只有对输入输出端口的分配，在这个设计中，我们使用了一个通过开关控制的模拟时钟 clk，而非系统时钟，这种电路在综合的时候一般都会报错，所以，在约束文件最后，我们需要手动添加一句命令：

set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets clk_IBUF]

来保证流程中不会出错。
约束代码：

#This file is generated by Robei!
#Pin Assignment for Xilinx FPGA with Software Vivado.
set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property PACKAGE_PIN P16 [get_ports clr]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clr]
set_property PACKAGE_PIN T16 [get_ports en]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports en]
set_property PACKAGE_PIN V12 [get_ports data_in[0]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[0]]
set_property PACKAGE_PIN W16 [get_ports data_in[1]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[1]]
set_property PACKAGE_PIN J15 [get_ports data_in[2]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[2]]
set_property PACKAGE_PIN H15 [get_ports data_in[3]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[3]]
set_property PACKAGE_PIN V13 [get_ports data_in[4]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[4]]
set_property PACKAGE_PIN U17 [get_ports data_in[5]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[5]]
set_property PACKAGE_PIN T17 [get_ports data_in[6]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[6]]
set_property PACKAGE_PIN Y17 [get_ports data_in[7]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_in[7]]
set_property PACKAGE_PIN G15 [get_ports set[0]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports set[0]]
set_property PACKAGE_PIN P15 [get_ports set[1]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports set[1]]
set_property PACKAGE_PIN W13 [get_ports set[2]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports set[2]]
set_property PACKAGE_PIN T14 [get_ports data_out[0]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[0]]
set_property PACKAGE_PIN T15 [get_ports data_out[1]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[1]]
set_property PACKAGE_PIN P14 [get_ports data_out[2]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[2]]
set_property PACKAGE_PIN R14 [get_ports data_out[3]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[3]]
set_property PACKAGE_PIN U14 [get_ports data_out[4]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[4]]
set_property PACKAGE_PIN U15 [get_ports data_out[5]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[5]]
set_property PACKAGE_PIN V17 [get_ports data_out[6]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[6]]
set_property PACKAGE_PIN V18 [get_ports data_out[7]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports data_out[7]]
set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets clk_IBUF]

（3）点击 File—>Save File 保存文件。
1.3 使用 Vivado 综合工具来综合设计，并进行 Implementation 任务实现。
（1）单击综合任务下拉菜单中的 Run Synthesis，综合过程将分析 shift.v 文件并生成网表文件。当综合过程完成了，且没有错误信息，将会弹出带有三个选项的完成对话框；
（2）如果有错误，根据错误信息提示进行修改，直至综合没有错误成功完成。然后选择 RunImplementation 选项，执行任务实现，然后单击 OK；
（3）任务实现过程将在综合后的设计上运行。当这个过程完成，且没有错误信息，将会弹出带有三个选项的任务实现完成对话框；
（4）如果有错误，根据错误信息提示修改，直至综合没有错误。
1.4 将开发板上的电源开关拨到 ON，生成比特流并打开硬件会话，对 FPGA 进行编程。
（1）确保微型 USB 电缆连接到 PROG UART 接口；
（2）确保 JP7 设置为 USB 提供电源；
（3）接通电源板上的开关；
（4）点击任务实现完成弹出的对话框中 Generate Bitstream 或者点击导航窗口中编程和调试任务中的 Generate Bitstream。当完成比特流生成后会弹出有三个选项的完成对话框；
（5）这一过程将已经生成的 shift.bit 文件放在 shift.runs 目录下的 impl_1 目录下；
（6）选择打开硬件管理器 Open Hardware Manager 选项，然后单击确定。硬件管理器窗口将打开并显示“未连接”状态；
（7）点击 Open a new hardware target。如果之前已经配置过开发板你也可以点击最近打开目标链接 Open recent target；



（8）单击 Next 看 Vivado 自定义搜索引擎服务器名称的形式；
（9）单击 Next 以选择本地主机端口；
（10）单击两次 Next，然后单击 Finish。未连接硬件会话状态更改为服务器名称并且器件被高亮显示。还要注意，该状态表明它还没有被编程；

（11）选择器件，并验证 shift.bit 被选为常规选项卡中的程序文件；

（12）在器件上单击鼠标右键，选择 Program device 或单击窗口上方弹出的 Program device-> XC7z010_1 链接到目标 FPGA 器件进行编程，

（13）单击确定对 FPGA 进行编程。开发板上 Done 指示灯亮时，器件编程结束；
（14）通过控制拨动和按键开关的开闭来观察 LED（请参考前面的逻辑图）验证输出结果。

2. 开发板验证
首先，按住 clr(BTN1)不放，按 1 到 2 次 clk(BTN0)，进行复位操作。然后，将 en（SW3）设置为高电平，设置输入数据 data_in[0~7] (Sw[0~7])和位移控制信号 set[0~3] (SW0~1)，这里选择输入数据为 00110111，位移控制信号分别为 000，010，100，
111 进行验证；
Led[0~7])，验证移位寄存器功能是否正确。
set = 000 时，data_out 应为 00110111；set = 010 时，data_out 应为 11001101；set = 100 时，data_out 应为 01110011；set = 111 时，data_out 应为 01101110；

通过验证结果证明该 8 位移位寄存器符合设计的要求。