实验六 移位寄存器

6.1实验目的

1. 掌握移位寄存器的工作原理；

2. 掌握利用移位寄存器实现串行与并行的相互转换；

3. 掌握使用移位寄存器实现乘除法运算；

6.2 原理介绍

6.2.1 基本移位寄存器

在实验四中，我们主要介绍了寄存器的结构及功能，一个N位的寄存器可以存储N位二进制数，即寄存器具有存储数据的功能。移位寄存器（Shift Register）除了具有存储数据的功能以外，还具有移位功能。它们在同一时钟脉冲作用下，可将寄存的二进制数据依次移位，用来实现数据的串行/并行或并行/串行的转换、数值运算以及其他数据处理功能。

将若干个D触发器串接级联在一起构成的具有移位功能的寄存器叫移位寄存器。图6.1是由四个D触发器构成的一个4位移位寄存器的逻辑电路。串行二进制数据从输入端D_{SI}输入，左边触发器的输出作为右邻触发器的数据输入。

​

图6.1 用D触发器构成的4位移位寄存器

​

若将串行数据D_3D_2D_1D_0从高位（D_3）至低位（D_0）按时钟序列依次送到D_{SI}端，经过第一个时钟脉冲后，Q_0=D_3。由于跟随D_3后面的是D_2，因此经过第二个时钟脉冲后，触发器FF0的状态移入触发器FF1，而FF0转变为新的状态，即Q_1=D_3、Q_0=D_2，以此类推，可得到该移位寄存器的状态，如表6.1所示（x表示不确定状态）。由表6.1可知，经过四个时钟脉冲后，四个触发器的输出状态Q_3Q_2Q_1Q_0与输入数据D_3D_2D_1D_0相对应。此时，串行输入数据可以从并行数据输出端D_{PO}送出去。可见，数据可以串行输入并行读取，因此，该电路也叫做串-并转换器。

如果继续移位，则第七个时钟脉冲作用之后，从D_{SI}逐位输入的数据就能够从输出端D_{SO}（即Q_3端）逐位输出寄存器。可见，该电路串行输入的数据是从左向右移位的。如果将图6.1所示电路中各触发器的连接顺序调换一下，让右边触发器的输出作为左邻触发器的数据输入，则可以构成从右向左移位的寄存器。

​

表6.1 图6.1电路的状态表

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CLK脉冲个数	DSI	Q0	Q1	Q2	Q3
第一个CLK脉冲之前	D3	x	x	x	x
1	D2	D3	x	x	x
2	D1	D2	D3	x	x
3	D0	D1	D2	D3	x
4	0	D0	D1	D2	D3
5	0	0	D0	D1	D2
6	0	0	0	D0	D1
7	0	0	0	0	D0

为了加深理解，在图6.2中画出了数据1101在寄存器中移位的波形，在经过四个时钟脉冲后，1101出现在触发器的输出端Q_3Q_2Q_1Q_0。在第八个时钟脉冲作用后，数据已从Q_3端（即串行数据输出端D_{SO}）全部移出寄存器。随着时钟信号的推移，D_{SO}输出端得到1101的串行输出序列。可以看到，如果首先将4位数据并行地置入移位寄存器的四个触发器中，然后连续加入四个移位脉冲，则移位寄存器里的4位数据将从串行输出端D_{SO}依次送出，因此，该电路叫并-串转换器。

​

图6.2 图6.1电路的时序图

​

我们来看如何使用Verilog HDL来实现图6.1所示的4位移位寄存器。

对于移位功能，我们可由代码6.1所示的四条语句来实现。

q[0] <= dsi;
q[1] <= q[0];
q[2] <= q[1];
q[3] <= q[2]

​

代码6.1 4位移位寄存器移位功能的实现方法一

​

我们可以将上述四条语句简化，如代码6.2所示，这与代码6.1是等价的。

q[0]   <= dsi;
q[3:1] <= q[2:0];

​

代码6.2 4位移位寄存器移位功能的实现方法二

​

根据图6.1可以写出4位移位寄存器的Verilog HDL实现，如代码6.3所示。

module shift_reg_4bit(
    input               clk,        // 时钟信号
    input               clr_n,      // 异步清零信号，低电平有效
    input               dsi,        // 串行数据输入
    output  reg [3:0]   q,          // 并行数据输出
    output              dso         // 串行数据输出
);
​
​
always@(posedge clk, negedge clr_n)
begin
    if(~clr_n)                      // clk_n为0，寄存器清零
    begin
        q   <= 4'b0000;
    end
    else
    begin                           // 数据从低位触发器向高位触发器移位
        q[0]    <= dsi;
        q[3:1]  <= q[2:0];
    end
end
assign  dso =   q[3];               // 串行数据输出
    
    
endmodule

​

代码6.3 4位移位寄存器Verilog HDL实现

​

图6.3是代码6.3对应的4位移位寄存器的RTL Viewer。

​

图6.3 4位移位寄存器的RTL Viewer

​

6.2.2 双向移位寄存器

有时需要对移位寄存器的数据流向加以控制，实现数据的双向移动，其中一个方向称为右移，另一个方向称为左移，这种移位寄存器称为双向移位寄存器。

注：这里需要注意的是，由于国家标准规定，逻辑图中的最低有效位（LSB）到最高有效位（MSB）的电路排列顺序应从上到下，从左到右。因此定义移位寄存器中的数据从低位触发器移向高位为右移，移向低位为左移。这一点与通常计算机程序中的规定相反，后者从二进制数的自然排列考虑，将数据移向高位定义为左移，反之为右移。

图6.4是双向移位寄存器的一种方案，与普通移位寄存器的连接不同，每个触发器的输入端D连接两个不同的数据源，一个是前级的输出，用于右移操作；另外一个数后一级的输出，用于左移操作。控制信号S用来选择操作的模式，当S=0时，FF0的D_0端与右移串行输入端D_{IR}连通，FF1的D_1端与Q_0连通，FF2的D_2端与Q_1连通，FF3的D_3端与Q_3连通，在时钟脉冲CLK的作用下，D_{IR}端输入的数据将向右移位，并从右移串行输出端D_{OR}输出，电路实现右移操作；当S=1时，FF3的D_3端与左移串行输入端D_{IL}连通，FF2的D_2端与Q_3连通，FF1的D_1端与Q_2连通，FF0的D_0端与Q_1连通，在时钟脉冲CLK的作用下，D_{IL}端输入的数据将向左移位，并从左移串行输出端D_{OL}输出，电路实现左移操作。

​

图6.4 用D触发器构成的双向移位寄存器

​

由此可见，图6.4所示电路可作双向移位，当S=0时，数据向右移位；当S=1时，数据向左移位，可实现串行输入-串行输出（由D_{OR}或D_{OL}输出）、串行输入-并行输出（由Q3 \sim Q0输出）的工作方式。

代码6.4是图6.4所示的4位双向移位寄存器的Verilog HDL实现。

module bidir_shift_reg_4bit(
    input               clk,        // 时钟信号
    input               clr_n,      // 异步清零信号，低电平有效
    input               dir,        // 右移串行输入
    input               dil,        // 左移串行输入
    input               s,          // 控制信号
    output  reg [3:0]   q,          // 并行数据输出
    output              dor,        // 右移串行输出
    output              dol         // 左移串行输出
);
​
always@(posedge clk, negedge clr_n)
begin
    if(~clr_n)                      // clk_n为0，寄存器清零
    begin
        q   <= 4'b0000;
    end
    else
    begin                           
        if(s == 1'b0)               // 右移
            q   <=  {q[2:0], dir};
        else                        // 左移
            q   <=  {dil, q[3:1]};
    end
end
assign  dor =   q[3];               // 右移串行输出
assign  dol =   q[0];               // 左移串行输出
   
endmodule

​

代码6.4 4位双向移位寄存器Verilog HDL实现

​

图6.5是代码6.4对应的4位双向移位寄存器的RTL Viewer。

​

图6.5 4位双向移位寄存器的RTL Viewer

​

6.2.3 并行存取的移位寄存器

并行存取的移位寄存器如图6.6所示，它与双向移位寄存器的连接有些类似，但又有不同。并行存取的移位寄存器的每个触发器的输入端D也是连接两个不同的数据源，一个数据源是前级的输出，用于移位寄存器的右移操作，这与双向移位寄存器是一样的；另外一个数据来自于外部的输入，作为并行操作的一部分，这部分与双向移位寄存器不同。控制信号S用来选择操作的模式，当S=0时，电路实现右移操作；当S=1时，并行数据DI_3 \sim DI_0送到各自的寄存器进行寄存，由此便可实现并行输入（由DI_3 \sim DI_0输入）、并行输出（由Q3 \sim Q0输出）。

​

图6.6 4位并行存取的移位寄存器

​

代码6.5是图6.6所示的4位并行存取的移位寄存器的Verilog HDL实现。

module parallel_shift_reg_4bit(
    input               clk,        // 时钟信号
    input               clr_n,      // 异步清零信号，低电平有效
    input               dir,        // 右移串行输入
    input       [3:0]   di,         // 并行数据输入
    input               s,          // 控制信号
    output  reg [3:0]   q,          // 并行数据输出
    output              dor         // 右移串行输出
);
​
always@(posedge clk, negedge clr_n)
begin
    if(~clr_n)                      // clk_n为0，寄存器清零
    begin
        q   <= 4'b0000;
    end
    else
    begin                           
        if(s == 1'b0)               // 右移
            q   <=  {q[2:0], dir};
        else                        // 并行存取
            q   <=  di;
    end
end
assign  dor =   q[3];               // 右移串行输出
   
endmodule

​

代码6.5 4位并行存取移位寄存器Verilog HDL实现

​

图6.7是代码6.5对应的4位并行存取移位寄存器的RTL Viewer。

​

图6.7 4位并行存取移位寄存器的RTL Viewer

​

6.2.4 多功能双向移位寄存器

为便于扩展逻辑功能和增加使用的灵活性，我们将并行输入、并行输出、左移、右移、保持、异步复位等功能集合到同一个电路中，组成多功能双向移位寄存器。

图6.8所示是实现一个4位的具有数据保持、右移、左移、并行输入和并行输出功能的多功能双向移位寄存器的一种电路方案。该电路主要由四个D触发器和四个四选一数据选择器构成，每个D触发器的数据输入端都插入一个四选一数据选择器MUX，并用2位的输入S1、S0控制MUX，来选择D触发器输入信号D的来源。当S1=S0=0时，选择该D触发器自身的输出Q，使D触发器保持状态不变；当S1=0、S0=1时，前一级D触发器的输出被选中，所以当时钟信号上升沿到来时，D触发器存入前一级D触发器的逻辑值，从而实现右移功能；类似地，当S1=1、S0=0时，实现左移功能；而当S1=S0=1时，选择并行输入数据DI3 \sim DI0，即实现并行输入的功能。表6.2列出了该多功能双向移位寄存器的四种操作。

​

图6.8 实现多功能双向移位寄存器的一种方案

​​

表6.2 图6.8电路的功能表

​

控制信号		功能
S1	S0
0	0	保持
0	1	右移
1	0	左移
1	1	并行输入

代码6.6是图6.8所示的4位多功能双向的移位寄存器的Verilog HDL实现。

module multi_func_shift_reg_4bit(
    input               clk,        // 时钟信号
    input               clr_n,      // 异步清零信号，低电平有效
    input               dir,        // 右移串行输入
    input               dil,        // 左移串行输入
    input       [3:0]   di,         // 并行数据输入
    input       [1:0]   s,          // 控制信号
    output  reg [3:0]   q,          // 并行数据输出
    output              dor,        // 右移串行输出
    output              dol         // 左移串行输出
);
​
always@(posedge clk, negedge clr_n)
begin
    if(~clr_n)                      // clk_n为0，寄存器清零
    begin
        q   <= 4'b0000;
    end
    else
    begin
        case(s[1:0])
            2'b00:  q   <=  q;              // 保持
            2'b01:  q   <=  {q[2:0], dir};  // 右移
            2'b10:  q   <=  {dil, q[3:1]};  // 左移
            2'b11:  q   <=  di;             // 并行存取
        endcase
    end
end
assign  dor =   q[3];               // 右移串行输出
assign  dol =   q[0];               // 左移串行输出
   
endmodule

​

代码6.6 4位多功能双向移位寄存器Verilog HDL实现

​

图6.9是代码6.6对应的4位多功能双向移位寄存器的RTL Viewer。

​

图6.9 4位多功能双向移位寄存器的RTL Viewer

​

6.3 实验目标

• 使用移位寄存器来实现乘以2和除以2的运算；

• 并将乘以2和除以2的运算加入到实验五实现的计算器中，即计算器可实现与运算、或运算、异或运算、非运算、加（减）法运算、乘以2、除以2运算；

6.4 设计实现

6.4.1 设计思路

图6.10是本实验的系统框图，我们增加了如红色框所示的部分，它们分别实现乘以2、除以2的运算。使用SW3 ~ SW0作为乘法和除法的第一个操作数A，第二个操作数固定为常数2。经过乘法运算后，结果可能会超过16，所以使用两个数码管来显示运算的结果。

​

图6.10 实验六系统框图

​

我们再来看乘法、除法运算的实现。

二进制数A乘以2，这相当于在A最低有效位的右边添加一个0，或者说把A的所有位左移1位，如图6.11(a)所示。因此A乘以2可以用左移的移位寄存器来实现。

二进制数A除以2，这相当于在A最高有效位添加一个0，即把A的所有位右移1位，如图6.11(b)所示。因此A除以2可以用右移的移位寄存器来实现。

注：上文中讨论的乘法和除法，都是考虑无符号二进制数A。

​

图6.11 左移(a)和右移(b)运算示例

​

图6.12为4位移位寄存器的框图，rst_n为异步清零信号，a为4位输入数据，进行左移1位或右移1位后，输出数据f。该框图可以表示4位左移移位寄存器，也可以表示4位右移移位寄存器，因为它们对外的接口信号都是一样的，进行左移还是右移是在内部实现的，即框图内部实现时会不同。

​

图6.12 4位移位寄存器的框图

​

表6.3是4位移位寄存器的输入输出信号描述。

​

表6.3 4位移位寄存器信号描述

​

信号名称	位宽	方向	功能描述
clk	1-bit	Input	4位移位寄存器的时钟信号
rst_n	1-bit	Input	4位移位寄存器的异步复位信号
a	4-bit	Input	4位移位寄存器的输入信号
f	4-bit	Output	4位移位寄存器的输出信号

6.4.2 代码实现

• 乘以2运算

  代码6.7是乘以2运算的代码实现。

  module c6(
      input               clk,        // 时钟信号
      input               rst_n,      // 异步复位信号
      input       [ 3: 0] a,          // 输入信号
      output  reg [ 4: 0] f           // 输出信号
  );
  ​
  always@(posedge clk, negedge rst_n)
  begin
      if(~rst_n)
      begin
          f <= 5'b00000;
      end
      else
      begin
          f[4:1]  <= a[3:0];          // 右移1位
          f[0]    <= 1'b0;            // 右移1位，最低位填0
      end
  end
  ​
  endmodule

  ​

  代码6.7 c6.v

  ​

  如下图是乘以2运算的RTL Viewer。

  

  ​

  图6.13 乘以2运算的RTL Viewer

  ​

• 除以2运算

  代码6.8是除以2运算的代码实现。

  module c7(
      input               clk,        // 时钟信号
      input               rst_n,      // 异步复位信号
      input       [ 3: 0] a,          // 输入信号
      output  reg [ 3: 0] f           // 输出信号
  );
  ​
  always@(posedge clk, negedge rst_n)
  begin
      if(~rst_n)
      begin
          f   <= 4'b0000;
      end
      else
      begin
          f[2:0]  <= a[3:1];          // 左移1位
          f[3]    <= 1'b0;            // 左移1位，最高位填0
      end
  end
  ​
  endmodule

  ​

  代码6.8 c7.v

  ​

  图6.14是除以2运算的RTL Viewer。

  

  ​

  图6.14 除以2运算的RTL Viewer

  ​

• 计算器模块

  计算器模块是在实验五实现的计算器的基础上增加了乘以2、除以2运算，需要修改calculator.v文件，其中第72行 ~ 98行为主要的修改部分，主要是添加了c6、c7模块以及与mux8x1模块之间的连接。

  module calculator(
      input           clk,        // 时钟信号，50MHz
      input           rst_n,      // 异步复位信号
      input           en,         // 寄存器使能信号
      input           carry_in,   // 加法的进位输入
      input   [3:0]   a,          // 计算器的第一个操作数
      //input   [3:0]   b,          // 计算器的第二个操作数
      input   [2:0]   sel,        // 计算器的功能选择信号
  
      output  [5:0]   ledr_out,   // 寄存器的数据输出
      output  [6:0]   hex0_out,   // 七段数码管译码器的输出HEX0
      output  [6:0]   hex1_out    // 七段数码管译码器的输出HEX1
  );
  
  // 变量声明
  wire [3:0]  operator_a;
  wire [3:0]  operator_b;
  wire        operator_cin;
  wire [2:0]  operation_s;
  
  wire [3:0]  f1;
  wire [3:0]  f2;
  wire [3:0]  f3;
  wire [3:0]  f4;
  wire [5:0]  f5;
  wire [4:0]  f6;
  wire [3:0]  f7;
  wire [5:0]  f;
  wire [5:0]  g;
  wire [6:0]  hex0dec_output;
  wire [6:0]  hex1dec_output;
  
  // 输入信号赋值
  assign  operator_a      =   a;
  //assign  operator_b      =   b;
  assign  operator_cin    =   carry_in;
  assign  operation_s     =   sel;
  
  
  // 将输入a存入寄存器中
      reg4bits reg4bits_inst (.clk(clk), .rst_n(rst_n), .en(~en), .d(a), .q(operator_b));    
      
  // 与运算
  c1  c1_inst(
      .a  (operator_a),
      .b  (operator_b),
      .f  (f1)
  );
  // 或运算
  c2  c2_inst(
      .a  (operator_a),
      .b  (operator_b),
      .f  (f2)
  );
  // 异或运算
  c3  c3_inst(
      .a  (operator_a),
      .b  (operator_b),
      .f  (f3)
  );
  // 非运算
  c4  c4_inst(
      .a  (operator_a),
      .f  (f4)
  );
  // 加（减）运算
  c5 c5_inst (
      .a  (operator_a), 
      .b  (operator_b), 
      .ci (operator_cin), 
      .f  (f5)
  );
  // 乘以2
  c6 c6_inst (
      .clk    (clk),
      .rst_n  (rst_n),
      .a      (operator_a),
      .f      (f6)
  );
  // 除以2
  c7 c7_inst (
      .clk    (clk),
      .rst_n  (rst_n),
      .a      (operator_a),
      .f      (f7)
  );
  // 在f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7七种运算结果中，选择一个运算结果f
  mux8x1 mux8x1_inst(
      .r  ({2'd0, f1}),
      .t  ({2'd0, f2}),
      .u  ({2'd0, f3}),
      .v  ({2'd0, f4}),
      .w  (f5),
  	.x  ({1'd0, f6}), 
      .y  ({2'd0, f7}), 
      .z  (6'd0),
      .s  (operation_s),
  	.m  (f)
  );
  // 将选出的运算结果f存入寄存器中
  reg6bits reg6bits_inst(
      .clk    (clk),
      .rst_n  (rst_n),
      .en     (~en),
      .d      (f),
      .q      (g)
  );
  // 寄存器的输出数据g输入至数码管译码器，经译码后显示至两个七段数码管上
  decod7seg decod7seg_inst0(
      .hex        (g[3:0]),
      .display    (hex0dec_output)
  );
  decod7seg decod7seg_inst1(
      .hex        ({2'd0, g[5:4]}),
      .display    (hex1dec_output)
  );
  
  // 寄存器的输出数据g直接显示在LED上
  assign  ledr_out    = g;
  assign  hex0_out    = hex0dec_output;
  assign  hex1_out    = hex1dec_output;
  
  
  endmodule

  ​

  代码6.9 calculator.v

  ​

  calculator模块的RTL Viewer如图6.15所示，可以看出和6.3.1节画的系统框图是一致的。

  

  ​

  图6.15 calculator模块的RTL Viewer

  ​

6.5 实验步骤

6.5.1 创建工程和代码输入

1. 点击电脑右下角的开始菜单找到Quartus软件，双击Quartus （Quartus Prime 17.1）打开Quartus Prime软件。

2. 点击菜单File-->New Project Wizard弹出工程创建的对话框。在弹出的对话框中点击Next。

3. 在您的DE1-SOC 工作文件夹下创建一个lab7的文件夹，并将工程路径指向该文件夹，且工程的名称也命名calculator。如图6.16-1所示。

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图6.16-1 创建Quartus工程

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图6.16-2

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图6.17

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完成创建工程后，打开后的工程Quartus Prime工程界面如图6.18所示。

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图6.18 Quartus打开的工程窗口

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在lab6工程文件夹下新建名为v的文件夹。点击Quartus软件工具栏的File --> New --> Verilog HDL File，创建c6.v、c7.v文件保存到v文件夹，并依次添加代码6.7、代码6.8中的代码。

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图6.19 c6.v

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图6.20 c7.v

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将实验五 加法器中的c1.v、c2.v、c3.v、c4.v、c5.v、decod7seg.v、fa.v、mux2x1.v、mux8x1.v、reg6bits.v、calculator.v文件复制到本实验工程文件夹下，如图6.21所示。

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图6.21 复制文件至本实验的工程路径下

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点击Quartus软件工具栏的Assignments --> Settings --> Files，将前面拷贝的文件添加至本实验的Quartus工程，如图6.22所示。

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图6.22 添加文件至Quartus工程

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修改calculator.v文件，参考代码6.9。

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图6.23 修改calculator.v文件

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1. 点击Quartus软件工具栏的Processing --> Start --> Start Analysis & Synthesis或点击

   

   按钮对Verilog HDL代码执行语法检查和综合。如果在该过程中提示有错误，请检查Verilog HDL代码语法，确保与上述代码块完全一致。

   

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   图6.25 执行语法检查和综合

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6.5.2 仿真

1. 点击Quartus工具栏File --> New --> Verilog HDL File，点击OK，添加如下仿真代码，点击File --> Save保存，并命名为calculator_tb.v，保存在v文件夹中。

`timescale 1ns/1ns
module calculator_tb();


// 产生50MHz时钟信号
reg clk;
localparam  PERIOD = 20;                // 20ns = 50MHz
initial 
begin
    clk     =   1'b0;
    forever #(PERIOD/2) clk = ~clk;     // 每隔10ns,clk翻转一次
end

// 产生复位信号，用作6位寄存器的异步复位
reg rst_n;
initial 
begin
    rst_n = 1'b0;
    #(PERIOD)   
    rst_n = 1'b1;
end


// 产生计算器的操作数a、运算操作选择sel和4位寄存器的使能信号en
reg [3:0] a;
//reg [3:0] b;
reg       ci;
reg [2:0] sel;
reg       en;
initial 
begin
    #0
    a   = 4'd0;
  //  b   = 4'd0;
    ci  = 1'b0;
    sel = 3'b000;
    en  = 1'b0;
    #(PERIOD)
    a   = 4'd3;
    sel = 3'b101;       // a=2, 乘以2
    #(PERIOD)
    a   = 4'd8;
    sel = 3'b101;       // a=8, 乘以2
    #(PERIOD)
    a   = 4'd12;
    sel = 3'b101;       // a=12, 乘以2
    #(2 * PERIOD)
    a   = 4'd14;
    sel = 3'b110;       // a=14, 除以2
    #(PERIOD)
    a   = 4'd7;
    sel = 3'b110;       // a=7, 除以2
    #(PERIOD)
    a   = 4'd4;
    sel = 3'b110;       // a=4, 除以2
    #(3 * PERIOD)
    $stop();
end


// 例化 calculator
wire    [5:0]   ledr_out;
wire    [6:0]   hex0_out;
wire    [6:0]   hex1_out;
calculator calculator_inst(
    .clk        (clk),
    .rst_n      (rst_n),
    .en         (en),
    .carry_in   (ci),
    .a          (a),
   // .b          (b),
    .sel        (sel),

    .ledr_out   (ledr_out),
    .hex0_out   (hex0_out),
    .hex1_out   (hex1_out)
);


endmodule

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代码6.11 calculator_tb.v

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1. 点击Quartus工具栏Assignments --> Settings --> EDA Tool Settings --> Simulation，设置Quartus自动调用ModelSim仿真软件，并设置test bench为calculator_tb，设置完成后如图6.26所示。

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图6.26 设置test bech为calculator_tb

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1. 其中，添加Compile test bench的具体步骤如下。

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图6.27 设置test bech的具体步骤

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点击Quartus工具栏Tools --> Run Simulation Tool --> RTL Simulation启动ModelSim仿真，再点击Wave切换到仿真波形窗口，并点击Zoom Full按钮，如图6.28所示。

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图6.28 打开的初始仿真波形

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点击上图左侧的Calculator_inst旁的"+"按钮，再单击选中c6_inst，将c6模块的输出信号f添加到wave中，如下图6.29所示。依此再将reg4bits_inst的输出信号q、c7模块的输出信号f和mux8x1模块的输出信号m添加到wave中。

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图6.29 添加c6、c7和mux8x1模块的输出信号

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右键选中下图中的a、q(其实就是操作数b)、c6、c7和mux8x1，点击Radix-->Hexadecimal，以十六进制数显示。

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图6.30 更改十六进制显示

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点击ModelSim工具栏的Simulate-->Restart，在弹出的Restart窗口，保持默认选择并点击OK按钮，然后再点击Run -All图标进行仿真。

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图6.31 开始仿真

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仿真波形如下图6.32所示。

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图6.32 calculator仿真波形

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仿真波形分析

• 0 ~ 20ns，复位信号rst_n=0，c6、c7处于复位状态，ledr_out=(00)16，hex0_out=hex1_out=(1000000)2，即数码管HEX1、HEX0都显示十六进制数“0”；

• 20ns，复位信号rst_n=1，移位寄存器c6、c7恢复正常状态，a=(3)16，sel=(101)2，但此时clk上升沿还没有到来，所以ledr_out=(00)16，hex0_out=hex1_out=(1000000)2，即数码管HEX1、HEX0都显示十六进制数“0”；

• 30ns，clk上升沿到来，数据选择器选择乘以2运算的结果输出m=(06)16；

• 50ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(06)16，hex1_out=(1000000)2，hex0_out=(0000010)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“0”、“6”；

• 同样是在50ns，clk上升沿时刻，a=(8)16，sel=(101)2，m=(10)16；

• 70ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(10)16，hex1_out=(1111001)2，hex0_out=(1000000)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“1”、“0”；

• 同样是在70ns，clk上升沿时刻，a=(c)16，sel=(101)2，m=(18)16；

• 90ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(18)16，hex1_out=(1111001)2，hex0_out=(0000000)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“1”、“8”；

• 100ns，sel由(101)2变为(110)2，但此时处于clk下降沿，数码管HEX1、HEX0保持不变；

• 110ns，clk上升沿时刻，a=(e)16，sel=(110)2，数据选择器选择除以2运算的结果输出m=(7)16；

• 130ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(07)16，hex1_out=(1000000)2，hex0_out=(1111000)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“0”、“7”；

• 同样是在130ns，clk上升沿时刻，a=(7)16，sel=(110)2，m=(3)16；

• 150ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(03)16，hex1_out=(1000000)2，hex0_out=(0110000)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“0”、“3”；

• 同样是在150ns，clk上升沿时刻，a=(4)16，sel=(110)2，m=(2)16；

• 170ns，clk上升沿时刻，寄存器的输出ledr_out=(02)16，hex1_out=(1000000)2，hex0_out=(0100100)2，即数码管HEX1、HEX0分别显示显示十六进制数“0”、“2”；

6.5.3 引脚分配、全编译与烧录

这个实验的操作数a及sel可以通过拨码开关SW0~SW3以及SW7~SW9来控制，carry_in从SW6输入。out信号分别输出到LEDR0到LEDR5，hex0_out输出到数码管0，hex1_out输出到数码管1，en和rst_n连接到按键key1和key0。

1. 点击Quartus菜单Assignments——Pin Planner进行引脚分配。

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图4.41

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关于引脚分配信息可以查看DE1-SoC_v.5.1.3_HWrevF.revG_SystemCD\UserManual\DE1-SoC_User_manual.pdf第 22、25、26、28页或者E:\CD_Package\01-DE1-SoC\DE1-SoC_v.5.1.3_HWrevF.revG_SystemCD\Schematic\DE1-SoC.pdf的第3页。

1. 点击Quartus软件工具栏的Processing --> Start Compilation或点击

   

   按钮编译lab6工程，并检查是否生成calculator.sof。

   

   ​

   图6.33 编译lab6工程

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2. 连接DE1-SOC开发板到PC， 给开发板上电开机。

3. 点击Quartus软件工具栏的Tools --> Programmer或

   

   按钮打开Programmer窗口，点击Hardware Setup选择USB-Blaster设备，点击Auto Detect选择5CSEBA6器件，左键单击选中5CSEBA6器件再点击Change File，选择lab6.sof，勾选Program/configure，点击Start下载calculator.sof。

   

   ​

   图6.34 烧录lab6.sof

   ​

6.5.4 实验现象观察

1. 拨动界面上的滑动开关，并观察实验现象：

• 先按一次KEY0，寄存器异步复位，c6、c7模块和6位寄存器中的数据被清0，LEDR5 ~ LEDR0全部熄灭，HEX1、HEX0都显示十六进制数字“0”；

  

  ​

  图6.38 实验现象1

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• 拨动SW10 ~ SW8为“up、down、up”，SW3 ~ SW0为“down、down、up、up”，按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、熄灭、熄灭、点亮、点亮、熄灭”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“0”、“6”；

  即：a=(3)_{16}，sel=(101)_2，计算器作乘以2运算，a*2=(6)_{16}。

  

  ​

  图6.39 实验现象2

  ​

• 拨动SW10 ~ SW8为“up、down、up”，SW3 ~ SW0为“up、down、down、down”，SW7 ~ SW4为“down、down、down、down”；按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、点亮、熄灭、熄灭、熄灭、熄灭”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“1”、“0”；

  即：a=(8)_{16}，sel=(101)_2，计算器作乘以2运算，a*2=(10)_{16}。

  

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  图6.40 实验现象3

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• 拨动SW10 ~ SW8为“up、down、up”，SW3 ~ SW0为“up、up、down、down”，SW7 ~ SW4为“down、down、down、down”；按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、点亮、点亮、熄灭、熄灭、熄灭”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“1”、“8”；

  即：a=(c)_{16}，sel=(101)_2，计算器作乘以2运算，a*2=(18)_{16}。

  

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  图6.41 实验现象4

  ​

• 拨动SW10 ~ SW8为“up、up、down”，SW3 ~ SW0为“up、up、up、down”，SW7 ~ SW4为“down、down、down、down”；按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、熄灭、熄灭、点亮、点亮、点亮”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“0”、“7”；

  即：a=(e)_{16}，sel=(110)_2，计算器作除以2运算，a/2=(7)_{16}。

  

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  图6.42 实验现象5

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• 拨动SW10 ~ SW8为“up、up、down”，SW3 ~ SW0为“down、up、up、up”，SW7 ~ SW4为“down、down、down、down”；按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、熄灭、熄灭、熄灭、点亮、点亮”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“0”、“3”；

  即：a=(7)_{16}，sel=(110)_2，计算器作除以2运算，a/2=(3)_{16}。

  

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  图6.43 实验现象6

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• 拨动SW10 ~ SW8为“up、up、down”，SW3 ~ SW0为“down、up、down、down”，SW7 ~ SW4为“down、down、down、down”；按一次KEY1，LEDR5 ~ LEDR0显示为“熄灭、熄灭、熄灭、熄灭、点亮、熄灭”，HEX1、HEX0分别显示十六进制数字“0”、“2”；

  即：a=(4)_{16}，sel=(110)_2，计算器作除以2运算，a/2=(2)_{16}。

  

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  图6.44 实验现象7

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6.6 实验小结

本章我们学习了如何使用寄存器组成移位寄存器，移位寄存器不仅可以存储数据，还可以用来实现数据的串-并转换、数据处理以及数值的运算，像我们在实验中使用移位寄存器来实现了乘以2、除以2运算。

使用移位寄存器还可以实现环形计数器和扭环形计数器，由于这不是我们本章的主旨，没有做过多的介绍，有兴趣的同学可查阅相关资料学习。