几个常见的FPGA问题之序列发生器、编码器、D触发器

语言 ：Verilg HDL 、VHDL
EDA工具： Vivado

• 关键词： 调用，Verilog HDL,序列发生器、编码器、D触发器

一、引言

FPGA（现场可编程门阵列）是一种灵活的硬件平台，它允许设计者根据需要实现数字逻辑电路。本文讲述几个FPGA常见的问题——序列发生器、编码器、D触发器，以及将对应的FPGA工程附在最后。在FPGA设计中，序列发生器、编码器和D触发器是三种常见的基本构件，它们各自有不同的用途和可能遇到的问题。

二、背景

1、序列发生器（Sequence Generator）

(1) 用途

序列发生器用于生成特定的二进制序列，这些序列可以是线性反馈移位寄存器（LFSR）生成的伪随机序列，或者计数器生成的递增或递减序列。

(2) 常见问题

I 初始状态设置错误可能导致序列不正确。
II 时钟域交叉问题，如果序列发生器的时钟与其他部分不同步，可能会导致元器件损坏或数据错误。
III 频率不匹配，如果序列发生器的输出速率与系统其他部分不兼容，可能会导致数据丢失或处理延迟。

2、编码器（Encoder）

（1）用途

编码器用于将输入信号编码成特定的格式，例如将二进制数转换为格雷码或将并行数据转换为串行数据。

（2）常见问题

I 输入信号的同步问题，如果输入信号与FPGA的时钟不同步，可能会导致错误的编码输出。
II 编码冲突，特别是在多对一的编码中，不同的输入组合可能产生相同的输出，需要通过设计来避免。
III 资源消耗，复杂的编码器可能需要较多的逻辑资源和布线资源。

3、D触发器（D Flip-Flop）

（1）用途

D触发器是一种基本的存储单元，它在时钟边沿到来时捕获并存储输入信号D的值，然后在下一个时钟周期提供给输出Q。

（2）常见问题

I 建立时间和保持时间违规，如果输入信号在时钟边沿之前没有稳定的建立时间，或者在时钟边沿之后没有保持足够时间，可能会导致数据错误。
II 亚稳态问题，D触发器在某些条件下可能会进入亚稳态，此时输出在一段时间内不确定，需要采取措施避免或解决。
III 时钟偏斜，如果D触发器的时钟信号与其他部分存在偏斜，可能会导致数据同步问题。

二、问题及解决方案

1. 序列发生器（Sequence Generator）

（1）问题

构建工程，实现110100序列发生器，编写仿真代码进行测试。
编写要求：
构建工程流程；
设计过程（分析并画出状态图）；
代码有注释；
仿真代码；
仿真结果。

（2）解答

解答：
a) 工作流程
在vivado中选择 add source，增加主工程sequence_generator.v文件，并编写代码， 实现110100序列发生器，最后在vivado中选择 add source 中增加 tb文件，仿真测试110100序列发生器是否正常。
b) 设计过程
使用6个状态，分别检测当前序列是否在 1,10,101,1011,10110和101100，并在最后一个状态输出序列检测成功标志。

c）代码
sequence_generator模块实现的功能是一个条件触发的序列检测器。具体来说，它检测输入信号data_in的特定序列，并在检测到该序列时产生一个输出脉冲data_out。

module sequence_generator(
	input  clk     ,
	input  rst_n   ,
	input  data_in ,
	output data_out 

);
	parameter   S0 = 3'D0 ; // IDLE
	parameter   S1 = 3'D1 ; // 1
	parameter   S2 = 3'D2 ; // 101
	parameter   S3 = 3'D3 ; // 1011
	parameter   S4 = 3'D4 ; // 10110
	parameter   S5 = 3'D5 ; // 101100

	
	reg[2:0] c_state ;
	reg[2:0] n_state ;

	always@( posedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if( !rst_n )
      	c_state <= 0 ; 
	    else
		   c_state <= n_state ; 
	end
	
	always@( * )
	begin
		if( !rst_n )
		   n_state = 0 ;