时序电路设计

实验二时序电路设计

一. 实验内容

使用Verilog语言完成一个时序电路模块的RTL设计，并为这个模块设计一个简单的testbench文件，并用ncverilog完成仿真过程，用拷屏的方法，完成WORD格式的实验报告，记录仿真结果的波形输出。

二. 时序电路模块设计要求

（1）滤波器电路设计

使用一个乘法器和一个加法器，设计完成一个五阶数字滤波器的设计，输入为串行数据X，复位信号RST，时钟信号CLK，使能信号EN，输出为串行数据信号Y，数据输出有效信号OEN。数字滤波器公式为：

y(i) = a0+ a1*x(i-1)+ a2*x(i-2)+ a3*x(i-3)+ a4*x(i-4)+ a5*x(i-5)

其中：

a0=0.08

a1=0.13

a2=0.23

a3=0.14

a4=0.16

a5=0.26

用Verilog语言为这个滤波器设计一个testbench，要求输入激励X为随机数据输入。（2）接口设计

为上述设计一个外部接口，可以通过该接口对滤波器的系数a0~ a5进行改写，在上述testbench基础上，完成滤波器系数配置的配置验证，系数配置如下：

a0=0.20

a1=0.04

a2=0.08

a3=0.20

a4=0.16

a5=0.32

三. 实验过程

（1）分析滤波器程序需要的模块：

1）根据滤波器的公式，得知该程序需要一个乘法器模块2）i时刻输出与前5个时刻的输入有关，因此需要6个寄存器用来保存x输入的值3）i时刻输出完成了5次乘法5次加法，因此需要一个变频器产生一个5倍频的时钟4）需要定义五个状态，每个状态实现相应的乘法和加法操作。

（2）在给定a的5个值时出现一个问题，小数如何用二进制表示：

将滤波器公式左右同时乘以2的八次方，即所有的二进制数值左移八位，此时系数均四舍五入保留整数位，转换成二进制形式即可。将最终的计算结果高八位赋值给y即为滤波器的输出。计算得：a0=00010100，a1=00100001，a2=00111011，a3=00100100，a4=00101001，a5=01000011。

（3）第一部分：定义输入输出变量，变频器和乘法器的引用定义

（4）第二部分：定义6个寄存器，给5个系数a赋值

这里定义了wen,waddr,wdata三个变量，为a输入的外部接口，当写入使能信号wen为1时，重新给a赋值，数值为输入信号wdata。

（5）第三部分：定义五个状态，每个状态完成一次乘法和一次加法

乘法器的输入赋值采用组合逻辑，根据不同的状态分别将不同的输入信号连入乘法器的输入端口，不需要时钟。加法运算采用时序逻辑，在clk2的上升沿完成一次加法，直至5次相加之和输出到sum中，这里的sum为16位二进制数。

（6）第四部分：输出有效信号oen和y的赋值

当状态state为000时输出有效信号oen置1，同时输出y的值为sum的高八位，否则y输出为0。因为最初在公式两边同时乘以2的八次方了，所以最终的值为结果的高八位。

四. 实验结果

（1）700ns之前x的输入全是0，所以y的输出也一直为0，波形符合分析。

（2）725ns时刻，clk上升沿读入x的第一个值00100100(36)，此时y输出仍为0

（3）775ns时刻，读入x第二个值10000001(129)，y输出为0，因为此时y=a0=0.08，sum 的高八位为0。

（4）825ns时刻，读入x第三个值00001001(9)，y输出为00000100(4)，计算：a0=0.08，a1=0.13，y(i)=0.08+0.13*36=4.76，波形符合计算结果。

（5）875ns时刻，读入x的第四个值01100011（99），此时输出y的值00011001（25），计算：y=0.08+0.13*129+0.23*36=25.16，波形符合结果。

（6）925ns时刻，读入x的第五个值00001101（13），此时输出y的值00100100（36），计算：y=0.08+0.13*9+0.23*129+0.14*36=35.96，波形符合计算结果。

（7）975ns时刻，输出y的值00100110（38），计算：y=0.08+0.13*99+0.23*9+0.14*129+0.16*36= 38.84，波形符合计算结果。

（8）结果分析：由于仿真时间的限制，本次实验最终输出了四个不为0的y的值，每当五个状态运行完成时，oen变为1，同时输出y的值。经计算，波形输出的值为正确的滤波器输出。clk2也实现了clk的5倍频，每五个clk2之后输出一个y的值。

五. Testbench部分代码