数字电路基础---寄存器

目录

数字电路基础---寄存器

1、寄存器简介

1.1、寄存器是如何工作的

2、实验任务

3、程序设计

3.1、模块设计

3.2、绘制波形图

4、编写代码

5、仿真验证

5.1、编写 TB 文件

5.2、仿真验证

6、总结

7、拓展训练

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数字电路基础---寄存器

       寄存器是构成时序逻辑最重要的一个单元，可以说没有寄存器就没有时序逻辑。寄存器是由触发器组成的，一个触发器可以组成一个一位的寄存器，多个触发器可以组成一个多位的寄存器。

1、寄存器简介

寄存器一般是由多个触发器构成的，所以在学习寄存器之前，我们先来了解一下触发器。

       从 D 触发器的电路图中我们可以看出，该电路是由两个相同的 D 锁存器以及两个非门连接而成的，图中的 F1 和 F2 就是 D 锁存器的电路符号，F1 为主锁存器，F2 为从锁存器，由于主锁存器的输出信号 Q0 就是从锁存器的输入信号，因而造成了两个锁存器的主从关系，这两个锁存器的控制信号都由外部时钟信号 CLK 提供。

1.1、寄存器是如何工作的

        首先当 CLK=0 时，CLK 经过非门后直接作为 F1 的控制信号，那么此时 F1 的控制信号为 1，F1 被选通，F1 处于工作状态。如果现在输入信号 D 为 1 的话，它经过 F1，F1 的输出 Q0 就为 1，这里的 Q0 不仅是 F1 的输出信号，同时也是 F2 的输入信号。不过现在 F2 的控制信号为 0，因此 F2 现在被锁存了，处于保持状态。输入信号 D 没有办法直接改变输出 Q1 的状态，这是前半拍的工作情况，也就是说，输入信号先存入主锁存器中，但不直接影响输出 Q1 的状态。

       接下来我们再来看后半拍，当外部的控制信号 CLK 由 0 变为 1 时，经过第一个作为 F1 控制信号的非门后，此时 F1 的控制信号将变为 0。主锁存器 F1 就被封锁了，它的输出 Q0 将保持在当前的状态，即使现在输入信号 D 再发生改变，Q0 的值也不再受影响了。经过两个非门后，F2 的控制信号 CLK 此时为 1，那么 F2 将处于工作状态。Q0 将会作为 F2 这个从锁存器的输入信号，直接影响到输出信号 Q1 的状态。当 Q0 为 1 时，那么根据 D 锁存器的逻辑规律，输出的 Q1 就为 1，F2 的 Q 非为 0，这就是后半拍的工作情况。在后半拍中我们才能实现整个电路状态的改变，因此从上面的分析中我们就可以看出，在 CLK 信号由 0 变为 1 这样的一个变化周期内，触发器的输出状态只可能改变一次。

       在了解完触发器之后，我们再来看一下寄存器。一个触发器可以组成一个一位的寄存器（一个触发器其实可以看作一个寄存器），多个触发器可以组成一个多位的寄存器，多位的寄存器可以存储多 bit 的二进制数据。

       如果多个触发器组成的寄存器输入都是相同信号，那么寄存器的输出也都是相同的信号，这种属于触发器并联。如果多个触发器组成的寄存器输入是互相传递的（下一个触发器的输入是上一个触发器的输出），那么寄存器的输出也都是不相同的信号，这种属于触发器串联。

       下面我们先来看下触发器的并联，我们以 2bit 的寄存器为例子说明，如下图所示：

       通过上图，我们可以看到，每个触发器的输入都是 D0，F1 触发器的 D0 经过时钟上升沿采样后输出是 Q0，F2 触发器的 D0 经过时钟上升沿采样后输出是 Q1。由于两个触发器的 D0 是来自同一个信号，所以每个触发器的 Q 端输出也是相同的。

下面我们来看下这并联下的 2bit 寄存器的状态表格。

       由上表格我们可以看出，只有时钟上升沿，数据采样变化，其他时候数据是保持锁存状态。看完触发器的并联后，接下来我们再来看下触发器的串联，我们还是以 2bit 寄存器为例子说明， 如下图所示：

       通过上图，我们可以看到，第一个触发器的输入是 D0，F1 触发器的 D0 经过时钟上升沿采样后输出是 Q0，输出的 Q0 为 F2 的输入。由于 F2 的输入来自于上一个触发器的输出 Q0，因此 F2 的输出比 F1 的输出要晚一个时钟周期，这个地方也就是通常所说的延迟一拍的概念，在逻辑电路设计里面，俗称“打一拍”，或者寄存一拍。

       下面我们来看下这串联下的 2bit 寄存器的状态表格：

       由寄存器的状态表可以看出，当 F1 的输入为 1 时，在时钟上升沿采样后，F1 的输出是 1，此时 F2 的输出还是 0，当下一个上升沿过去之后，F2 的输出才为 1。同理，如果更多的触发器依次串联，其实完成的是一个多级打拍的功能，也是逻辑电路里面移位的功能，就是一个信号在时钟上升沿跳变的时候依次传递到下一个寄存器中。

2、实验任务

本节的实验任务是设计一个 4 级串联寄存器电路。

3、程序设计

3.1、模块设计

       根据实验任务可知，我们需要设计一个 4 级串联寄存器的电路模块。它的输入端口为 a，输出端口为 y，在输入到输出之间使用 4 个触发器进行串联。而每个触发器都是需要时钟信号以及复位信号，所以我们还需要一个时钟端口以及一个复位端口。

模块端口与功能描述如下表所示：

3.2、绘制波形图

根据模块框图以及端口功能的描述列表可以画出该模块的波形，波形如下图所示：

       从绘制的波形图我们可以看出，因为是时序逻辑电路，所以输入 a 的值会延迟一个时钟周期赋值给 a_reg1。以此类推，每个寄存器的值都会延迟一个时钟周期赋值给下一个寄存器。

4、编写代码

       4 级的串联寄存器需要 4 个寄存器，每个寄存器都是需要有时钟，复位信号，输入和输出，根据波形图我们可以写出如下代码：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/06/19 11:56:45
// Design Name: 
// Module Name: shfit_reg4
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
//实验任务
//本节的实验任务是设计一个 4 级串联寄存器电路。

//4 级的串联寄存器需要 4 个寄存器，每个寄存器都是需要有时钟，复位信号，输入和输出
module shfit_reg4(
    input               sys_clk,      //50MHz系统时钟(一个周期是20ns：1/50MHz=0.02us=20ns)
    input               sys_rst_n,    //全局复位
    input               a,            //输入a
    
    output               y             //输出y
    );

reg         a_reg1;      //寄存器1
reg         a_reg2;      //寄存器2
reg         a_reg3;      //寄存器3
reg         a_reg4;      //寄存器4

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n) begin
        a_reg1 <= 1'b0;
        a_reg2 <= 1'b0;
        a_reg3 <= 1'b0;
        a_reg4 <= 1'b0;
     end
     else begin
         a_reg1 <= a;
         a_reg2 <= a_reg1;
         a_reg3 <= a_reg2;
         a_reg4 <= a_reg3;
     end
end

assign y = a_reg4;

endmodule

       程序中第 33 行到第 36 行定义了 4 个寄存器，代码第 38 行到第 51 行将 4 个寄存器串联起来，第 53 行将 a_reg4 的值赋给输出 y。

       我们可以使用 VIVADO 的 RTL ANALYSlS 来看一下 RTL 电路。

       从上图可以看出，每个触发器都有 sys_clk 输入信号端口、一个异步清零端口、一个输出端口以及一个输出端口。我们代码中的输入 a 通过 a_reg1、a_reg2、a_reg3 以及 a_reg4 的串联输出到 y，从图中可以看出这个电路就是一个 4 级寄存器组成的移位寄存器。

5、仿真验证

5.1、编写 TB 文件

下面我们编写一个 testbech 激励文件，通过仿真来看下移位寄存器的波形。仿真代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/06/19 14:15:30
// Design Name: 
// Module Name: tb_shfit_reg4
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module tb_shfit_reg4();

reg             sys_clk;
reg             sys_rst_n;
reg             a;

wire           y;

initial  begin
    sys_clk = 1'b1;
    sys_rst_n <= 1'b0;
    a <= 1'b0;
    #201
    sys_rst_n <= 1'b1;
    #100
    a <= 1'b1;
    #100
    a <= 1'b0;
end

always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

shfit_reg4 u_shfit_reg4(
    .sys_clk        (sys_clk      ),
    .sys_rst_n      (sys_rst_n    ),
    .a              (a            ),
    
    .y              (y            )
    );

endmodule

编写完我们的仿真代码，就可以对仿真代码进行仿真的验证了。

5.2、仿真验证

我们打开 Modelsim 软件对代码进行仿真，在运行仿真 1us 后，仿真的波形如下图所示：

       由上图可知，当输入信号 a 为 1 之后，在下一个时钟上升沿到来时，a_reg1 拉高，经过一个时钟后，a_reg2 拉高，再经过一个时钟后，a_reg3 拉高，在 a 拉高之后的第 4 个时钟，a_reg4 也由低变为了高，然后 a_reg4 的值是通过组合逻辑直接赋值给了 y 信号，因此 y 的波形和 a_reg4 也是完全一样的。可以看出触发器的采样都是在时钟上升沿进行的，其他时候触发器是保持之前采样的信号。另外从波形中，我们也能看到一个移位的效果，就是数据 1 依次移动到下一个触发器中。

6、总结

       本章主要为大家介绍了寄存器的相关概念，并且通过一个时序逻辑电路设计了一个移位寄存器。通过代码的编写以及仿真波形的观察，我们知道了带有时序逻辑的 always 语句块都具有延迟一拍的效果。在后续的学习与设计中我们要养成一个思维，看到 always 语句块下的时序逻辑电路，自然的想到会产生延迟一拍的现象，这个也就是人们常说的“打拍”操作。

7、拓展训练

       我们学习并了解了锁存器和寄存器。可以对比一下锁存器以及寄存器到底有什么区别？锁存器最大的危害是什么？可以画一下寄存器和锁存器的波形图进行对比。