實驗一.做一個4選1的mux，并且進行波形仿真和2選1的mux對比，觀察資源消耗的變化

四選一mux代碼如下：

RTL視圖如下：

波形仿真如下：

2選1的mux資源消耗情況：

4選1的mux資源消耗情況：

4選1比2選1消耗資源更多。

實驗二.編寫一個4X4路交叉開關的RTL，然后編譯，看RTL View 比較2x2與4x4之間消耗資源的區別。通過對比資源，你有什么結論？

4X4路交叉開關實驗代碼設計如下：

4X4路交叉開關RTL視圖如下：

2X2路交叉開關RTL視圖如下：

2X2路交叉開關資源消耗情況：

4X4路交叉開關資源消耗情況：

可見4X4的交叉開關消耗資源成倍的增長了。

實驗三.編寫一個8輸入的優先編碼器，然后編譯，看RTL View

實驗四.

編寫一個4－16的譯碼器，編譯

和3－8譯碼器對比資源開銷

看RTL View
4－16譯碼器實驗代碼如下：


資源消耗變化如下：
3-8譯碼器資源消耗：

4-16譯碼器資源消耗：

輸入多了一位、輸出多了八位的情況下資源消耗幾乎多了一倍，可見資源消耗主要與輸出位數正相關。

實驗五.

把加法器的輸出信號改成4比特位寬，編譯，波形仿真。觀察輸出結果，說出輸出和輸入的對應關系。

把加法器的輸入信號改成8比特位寬，編譯，波形仿真。觀察加法器的輸出延遲，和4比特輸入位寬的情況對比，你有什么結論，為什么？
1.把加法器的輸出信號改成4比特位寬，程序如下：

波形仿真如下：

可見當輸出信號位寬下降時，不能完整的實現其功能，當輸出值大于15之后就會出錯。
2.把加法器的輸入信號改成8比特位寬，程序如下：

仿真波形圖如下：

可見其輸出時延稍大于4輸入的無符號加法器。

實驗六.

把加法器的輸出信號改成4比特位寬，編譯，波形仿真。觀察輸出結果，觀察輸出結果在什么時候是正確的？。

把加法器的輸入信號改成8比特位寬，編譯，波形仿真。觀察加法器的輸出延遲，和4比特輸入位寬的情況對比，你有什么結論，為什么？
1.把加法器的輸出信號改成4比特位寬：


2.把加法器的輸入信號改成8比特位寬：

實驗七.

不改變流水線的級數，把加法器的輸入信號改成8比特位寬，編譯，波形仿真，和不帶流水線的情況對比一下，你有什么結論？

在8比特輸入位寬的情況下，在輸入上再添加一級流水線，觀察編譯和仿真的結果，你有什么結論？

分析：
純粹的加法器是一堆組合邏輯門構成的，這些組合邏輯的計算延遲較大，如果加法器電路的前極或后級電路也是一個規模較大的組合邏輯，那么它們會和加法器電路合并成為一個更大的組合邏輯，從而帶來更大的組合邏輯計算延遲。
每一個D觸發器都有其所容許的最小的建立與保持時間，當兩個D觸發器之間的組合電路邏輯延遲變得更大的時候，會導致電路只能工作在更低的時鐘頻率，為了讓電路能夠工作在更高的時鐘頻率，需要用D觸發器來把大塊的組合邏輯分割為小塊，這就是流水線技術。（建議自行Google 關鍵字 D觸發器 建立與保持時間）
與不加流水線的加法器相比，帶流水線的加法器即在加法器的輸入與輸出都連接了D觸發器，有效的減少了組合邏輯的競爭與冒險，從而明顯減少了“毛刺”的長度。而流水線的級數越高，毛刺也隨之越短，但輸出的時延也會相應的多一個時鐘周期。
1.不改變流水線的級數，把加法器的輸入信號改成8比特位寬，代碼：



與不加流水線的加法器相比，帶流水線的加法器即在加法器的輸入與輸出都連接了D觸發器，有效的減少了組合邏輯的競爭與冒險，從而明顯減少了“毛刺”的長度。
2.在8比特輸入位寬的情況下，在輸入上再添加一級流水線：



可以發現流水線的級數越高，毛刺也隨之越短，但輸出的時延也會相應的多一個時鐘周期。

實驗八.

改變乘法器的輸入位寬為8比特，編譯，波形仿真，觀察信號毛刺的時間長度。

選一款沒有硬件乘法器的FPGA芯片（例如Cyclone EP1C6）對比8比特的乘法器和加法器兩者編譯之后的資源開銷(LogicCell的數目）

編寫一個輸入和輸出都有D觸發器的流水線乘法器代碼，編譯后波形仿真，觀察組合邏輯延遲和毛刺的時間，和不帶流水線的情況下對比。
1.改變乘法器的輸入位寬為8比特，編譯，波形仿真，觀察信號毛刺的時間長度。



2.選一款沒有硬件乘法器的FPGA芯片（例如Cyclone EP1C6）對比8比特的乘法器和加法器兩者編譯之后的資源開銷(LogicCell的數目）

乘法器資源消耗

加法器資源消耗
3.編寫一個輸入和輸出都有D觸發器的流水線乘法器代碼，編譯后波形仿真，觀察組合邏輯延遲和毛刺的時間，和不帶流水線的情況下對比。

實驗九

• 設計一個最簡單的計數器，只有一個CLK輸入和一個OVerflow輸出，當計數到最大值的時鐘周期CLK輸出1
• 設計復雜的計數器，和本例相似，帶有多種信號，其中同步清零CLR的優先級最高，使能EN次之，LOAD最低。
  1.設計一個最簡單的計數器，只有一個CLK輸入和一個OVerflow輸出，當計數到最大值的時鐘周期CLK輸出1
  
  
  2.設計復雜的計數器，和本例相似，帶有多種信號，其中同步清零CLR的優先級最高，使能EN次之，LOAD最低。
  
  

實驗十

設計一個用于識別2進制序列“1011”的狀態機

• 基本要求： 電路每個時鐘周期輸入1比特數據，當捕獲到1011的時鐘周期，電路輸出1，否則輸出0
  使用序列101011010作為輸出的測試序列
• 擴展要求：給你的電路添加輸入使能端口，只有輸入使能EN為1的時鐘周期，才從輸入的數據端口向內部獲取1比特序列數據。
  實驗分析：因為要捕獲的是“1011”序列，從最低位開始進行匹配，匹配成功跳轉到下一狀態匹配更高一位，只要有一位匹配錯誤就應該跳轉至狀態0重新開始。而加上使能信號后，只有EN為1才從輸入端讀入輸入數據進行匹配。
• 狀態跳轉邏輯表：

當前狀態輸入次態

ST0	IN==0	ST0
ST0	IN==1	ST1
ST1	IN==0	ST2
ST1	IN==1	ST0
ST2	IN==0	ST0
ST2	IN==1	ST3
ST3	IN==0	ST0
ST3	IN==1	ST4
ST4	DONOT CARE	ST0

• 輸出邏輯表：

當前狀態輸出OUT

ST0	0
ST1	0
ST2	0
ST3	0
ST4	1

代碼及仿真波形圖如下：

實驗十一

設計一個如本節“電路描述”部分的“帶加載使能和移位使能的并入串出”的移位寄存器，電路的RTL結構圖如“電路描述”部分的RTL結構圖所示。
實驗分析：所謂“串入并出”的移位寄存器，及輸入一個1位輸入信號，移位寄存器將這個一位數據存入第0位，并將原本的后3位一同前移1位，最后從高到低并行輸出四位數據。而“并入串出”的移位寄存器是指，輸入一個4位輸入信號，存入移位寄存器，若移位使能有效，則將最高位輸出，移位寄存器后三3同時前移1位，最低位存入0；若加載時能有效，則從輸入端重新讀入4位數據。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Verilog RTL 代码设计示例的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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