【数字IC手撕代码】Verilog轮询仲裁器|题目|原理|设计|仿真

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一、前言

本系列旨在提供100%准确的数字IC设计/验证手撕代码环节的题目，原理，RTL设计，Testbench和参考仿真波形，每篇文章的内容都经过仿真核对。快速导航链接如下：

1.奇数分频
2.偶数分频
3.半整数分批
4.小数/分数分频
5.序列检测器
6.模三检测器
7.饮料机
8.异步复位，同步释放
9.边沿检测（上升沿，下降沿，双边沿)
10.全加器，半加器
11.格雷码转二进制
12.单bit跨时钟域（打两拍，边沿同步，脉冲同步）
13.奇偶校验
14.伪随机数生成器[线性反馈移位寄存器]
15.同步FIFO
16.无毛刺时钟切换电路
17.固定优先级仲裁器
18.轮询仲裁器

应当说，手撕代码环节是面试流程中既重要又简单的一个环节，跟软件类的岗位相比起来，数字IC的手撕代码题目固定，数量有限，属于整个面试中必得分的一个环节，在这个系列以外，笔者同样推荐数字IC求职者使用“HdlBits”进行代码的训练
链接如下
HDLBits — Verilog Practice

二、题目

数字IC工程师在使用多主设备的总线过程中，需要考虑到不同主设备申请总线控制权的优先级问题，使用Verilog语言，完成轮询仲裁器，其中输入端为4bit的request，输出端为4bit的独热码grant（独热码意味着只存在4种grant的结果如下1000，0100，0010，0001），默认时总线优先级为A>B>C>D，其中的ABCD分别代表request[0],request[1],request[2],request[3],即从低到高依次排列，根据轮询算法，当其中的某一位被选中后，它在下一次request到来时它的优先级最低（3），而它左边的相邻位优先级变为最高（0），从左边相邻位至最高位，优先级依次降低，回旋至最低位，此为轮询算法，举例如下：

周期	请求情况(request)	优先级排序	响应情况(grant)
1	1010	3210	0010(B)
2	0001	1032	0001(A)
3	1111	2103	0010(B)
4	1011	1032	1000(D)

该设计的输入输出端口如下

端口类型	名称
input	clk
input	rst_n
input	[3:0]request
output	[3:0]grant

三、原理

为了解释轮询仲裁其的设计思路，我们首先需要注意的是，针对于固定优先级的仲裁器，纯组合逻辑电路就可以完成功能，而针对于轮询仲裁器而言，我们需要引入时钟信号了，即时序逻辑电路的部分，这是因为，此时的优先级排序，不仅与初态有关，也与前一个状态的响应有关（前后状态相互影响，即时序电路，引入clk信号与dff）

其次，对于举例中，我们对于相应情况四位独热码的grant的分析，我们可以发现它和下一个周期优先级排序之间的关系：即若abcd为grant，c为1，即grant为0010，下次的优先级为1032，若b为1，即grant为0321。

在固定优先级仲裁器的第三种方法中，我们介绍了补码相与法，这其实是轮询仲裁器的一个特殊case，即不管grant实际输出为多少，前一个状态始终按照a为1来记录（1000），即下次的优先级为3210的顺序来进行。

我们在相与的过程中grant减去了0b0001，即“0b1000，左移一位的结果”。根据相同的原理，我们将前态的grant做记录，再左移，使用相似的补码相与法，是否可以得到所需值呢？答案是可以的，而这个操作的原理与前一篇文章中所说的借位相似，不再赘述。

四、RTL设计

module round_robin_arb(clk,rst_n,request,grant);

input clk;
input rst_n;
input  [3:0] request;
output [3:0] grant;

reg  [3:0] pre_state;
wire [3:0] pre_grant;

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)
		pre_state <= 4'h1;
	else
		pre_state <= {pre_grant[2],pre_grant[1],pre_grant[0],pre_grant[3]};
	end

assign pre_grant = {1'b1,request} & ~({1'b1,request} - 1'b1);

assign grant = {1'b1,request} & ~({1'b1,request} - pre_state);

endmodule

五、Testbench仿真

`timescale 1ns / 1ps
module round_robin_arb_tb();
reg clk;
reg rst_n;
reg [3:0] request;
wire [3:0] grant;

round_robin_arb u1(clk,rst_n,request,grant);

initial clk = 0;
always #5 clk = !clk;




initial begin
rst_n= 0;
request = 4'h0;
#19 rst_n = 1;
request = 4'b1101;
#10
request = 4'b0101;
#10
request = 4'b0010;
#10
request = 4'b0000;
#100;
$stop;

end

endmodule

六、仿真分析

仿真后的grant值为所需输出值，0001，0100，0010，0000符合下面的预期，证明设计正确。

复位后的周期	request	优先级排序	相应情况
1	1101	3210	0001
2	0101	2103	0100
3	0010	0321	0010
4	0000	1032	0000