数字IC经典电路设计
经典电路设计是数字IC设计里基础中的基础，盖大房子的第一部是打造结实可靠的地基，每一篇笔者都会分门别类给出设计原理、设计方法、verilog代码、Testbench、仿真波形。然而实际的数字IC设计过程中考虑的问题远多于此，通过本系列希望大家对数字IC中一些经典电路的设计有初步入门了解。能力有限，纰漏难免，欢迎大家交流指正。
快速导航链接如下：
一、前言
在数字电路中，序列检测器（Sequence Detector）是指一种特殊类型的电路，用于寻找输入信号中一定模式的子序列。该模式可以是任意模式，包括重复模式、连续模式、间隔模式等等。通常的序列检测方法有2种：有限状态机法（FSM）；移位寄存器法。
为什么需要设计序列检测电路呢？
在数字集成电路中，序列检测电路可以用于检测输入信号序列中是否存在特定的模式和序列，以及判断实际输出和理论输出是否存在差异。序列检测器是确保数字系统的正确运行不可或缺的一部分！
那么数字IC中哪些部分需要设计呢？
数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）中需要设计序列检测电路的部分主要包括以下几个方面:
数据输入端：序列检测电路可以用于检测输入数据是否符合特定的格式要求，或者是否存在错误或干扰。在数字集成电路中，输入数据通常是通过输入端口输入的，因此需要在输入端口处设计序列检测电路。
控制信号：数字集成电路中的控制信号通常是用于控制数字系统的操作序列，以确保系统按照预期的顺序执行操作。在这种情况下，序列检测电路可以用于检测控制信号是否按照预期的序列进行。
数据输出端：序列检测电路还可以用于检测输出数据是否符合特定的格式要求，或者是否存在错误或干扰。在数字集成电路中，输出数据通常是通过输出端口输出的，因此需要在输出端口处设计序列检测电路。
内部信号：数字集成电路中的内部信号通常是在芯片内部传递的信号，例如时钟信号、地址信号、数据信号等。在这种情况下，序列检测电路可以用于检测内部信号是否按照预期的序列进行。
在IC设计的过程中，不同的部分的序列检测器检测的序列和发挥的具体作用不尽心相同。因此在数字集成电路中，需要根据具体的应用场景，针对不同的部分设计相应的序列检测电路。
二、状态机法和寄存器法
对于序列检测器的设计，常规的设计方法有两种：状态机法和移位寄存器法。
状态机法最重要的是明白状态机状态的转移过程：在数据输入之后判断是否匹配，若匹配则进入下一状态，不匹配则根据输入的数据具体判断进入的下一状态（也有可能保持在原来的状态）。状态机设计过程一定要注重状态的数量和状态转移以及状态转移条件，避免状态的缺失以及状态转移的不合理循环。
移位寄存器法法基本原理是数据的移位和移位数据的对比：首先将对应的初始数据缓存在寄存器中作为一个数组，数据输入后置于于数组的末尾，数组其它元素左移，把最早输入的数据移出，每输入一个数据后刷新一次。然后将数组和目标序列对比，如果数组和目标序列相等，则说明出现目标序列。
2.1状态机法
2.11 使用状态机检测“1001”
题目：设计一个序列检测器，用来检测序列1001，用_状态机完成电路，可重复检测_序列1001（即本文第三部分的重叠检测）。
第一步，分析状态机状态转移，分析如下：
IDLE: 初始状态，代表目前没有接收到满足要求的数据。
seq_in = 1时，等于1001中的第一个数，进入S1状态；
seq_in = 0时，保持状态。
S1：代表目前已经有了1个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为10，等于1001中的前两个数，进入S2状态；
seq_in = 1时，当前序列为11，不是1001的前两个数，但1是1001的第一个数，所以保持S1状态。
S2：代表目前已经有了2个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为100，等于1001中的前三个数，进入S3状态；
seq_in = 1时，当前序列为101，不是1001的前三个数，但1是1001的第一个数，所以进入S1状态。
S3：代表目前已经有了3个匹配的数据。
seq_in = 1时，当前序列为1001，与要求序列匹配，进入S4状态；
seq_in = 0时，当前序列为1000，与要求序列不配，0与初始状态匹配，所以进入IDLE状态。
S4：最终状态，代表目前已经得到了匹配的序列，输出信号翻转。
seq_in = 1时，当前序列为10011，1与要求序列的第一个数匹配，所以进入S1状态；
seq_in = 0时，当前序列为10010，10与要求的前两个数匹配，所以进入S2状态。
第二步：根据流程转换分析画出状态机的状态转移图，如下图所示：
第三步：根据状态机转移图用经典三段式（或者二段式）写出verilog代码
2.12 verilog代码
//使用状态机设计检测“1001”的序列检测器
//可重叠检测序列“1001”
module sequence_detect01(
input clk,
input rst_n,
input seq_in,
output mismatch //检验序列是否匹配，匹配输出0，不匹配输出0
);
//采用独热码编译五个状态，初始IDLE状态为待机状态
//独热码相比二进制码和格雷码，方便电路设计判断、状态转移，且逻辑更简单
parameter IDLE = 5'b00001;
parameter S1 = 5'b00010;
parameter S2 = 5'b00100;
parameter S3 = 5'b01000;
parameter S4 = 5'b10000;
//定义两个寄存器表示状态机的目前状态和下一状态
reg [4:0] curr_state;
reg [4:0] next_state;
//第一段使用时序逻辑描述状态转移
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
curr_state <= IDLE;
end
else begin
curr_state <= next_state;
end
end
//第二段使用组合逻辑判断状态转移条件
always@(*) begin
if(!rst_n) begin
next_state <= IDLE;
end
else begin
case(curr_state)
IDLE :next_state = seq_in?S1:IDLE;
S1 :next_state = seq_in?S1:S2;
S2 :next_state = seq_in?S1:S3;
S3 :next_state = seq_in?S4:IDLE;
S4 :next_state = seq_in?S1:S2;
default:next_state = IDLE; //养成良好代码风格，不能遗漏，防生成latch，也可以通过赋初值避免
endcase
end
end
//第三段描述状态输出（可以使用组合逻辑，也可以用时序逻辑）
//此处采用组合逻辑，同时也提供时序逻辑代码示例
assign mismatch = (curr_state ==S4) ? 1'b0 : 1'b1; //组合逻辑描述输出
/*
//时序逻辑描述输出
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
mismatch <= 1'b1;
end
else if(next_state == S4) begin
mismatch <= 1'b0;
end
else begin
mismatch <= 1'b1;
end
end
*/
endmodule
2.13 testbench
`timescale 1ns/1ps //仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps
module sequence_detect01_tb();
//信号申明
reg clk;
reg rst_n;
reg seq_in;
wire mismatch;
//生成复位信号
//为时钟信号和复位信号赋初值
initial begin
clk = 0;
rst_n = 1;
seq_in = 1;
#5 rst_n = 0;
#10 rst_n = 1;
end
always #6 seq_in = $random; //生成随机数作为信号输入
always #5 clk = ~clk; //生成时钟信号
//模块实例化（将申明的信号连接起来即可）
sequence_detect01 u_sequence_detect01
(.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.seq_in (seq_in),
.mismatch (mismatch)
);
endmodule
2.14仿真结果
)
Testbench中采用随机数来验证序列检测器的准确性，当时间来到705ns，随机数连续输出1001，mismatch在接收四位数字进行信号翻转。
2.2移位寄存器法
2.21 使用移位寄存器法检测1001
题目：设计一个序列检测器，用来检测序列 1001，用_移位寄存器_完成电路设计。
移位寄存器方法比较简单。设置一个和序列等长的寄存器，在数据输入后将输入移入寄存器的最低位，并判断寄存器中的值是否与序列相同。因为移位寄存器的工作原理，设计出来的序列检测器可以重叠检测序列。
2.22 verilog代码
//使用移位寄存器设计检测“1001”的序列检测器
//可重叠检测序列“1001”
module sequence_detect02(
input clk,
input rst_n,
input seq_in,
output reg mismatch //时序逻辑中需要定义为reg型
);
reg [3:0] seq_in_r; //定义一个寄存器缓存数据
//使用时序逻辑完成复位和移位寄存器移位过程
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
seq_in_r <= 4'b0; //中间寄存器复位
end
else begin
seq_in_r <= {seq_in_r[2:0],seq_in}; //输入数据置于数组右端，移位寄存器左移位
end
end
//使用时序逻辑完成复位与输出
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
mismatch <= 1'b1;
end
else if (seq_in_r == 4'b1001) begin //若检测到1001则将mismatch置1，表明检测到序列1001
mismatch <= 1'b0;
end
else begin
mismatch <= 1'b1; //养成良好代码风格，不能遗漏，防生成latch，可通过赋初值避免
end
end
endmodule
2.23 testbench
`timescale 1ns/1ps //仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps
module sequence_detect02_tb;
//信号申明
reg clk;
reg rst_n;
reg seq_in;
wire mismatch;
//复位信号生成
//时钟信号与复位信号赋初值
initial begin
clk = 0;
rst_n = 1;
seq_in = 1;
#5 rst_n = 0;
#10 rst_n = 1;
end
always #6 seq_in = $random; //生成随机数作为信号输入
always #5 clk = ~clk; //生成时钟信号
//模块实例化（将申明的信号连接起来即可）
sequence_detect01 u_sequence_detect01
(.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.seq_in (seq_in),
.mismatch (mismatch)
);
endmodule
2.24仿真结果
Testbench中采用随机数来验证序列检测器的准确性，当时间来到705ns，随机数连续输出1001，mismatch在接收四位数字且在时钟上升沿进行信号翻转。
三、重叠检测与非重叠检测（检测序列1001）
数字IC序列检测中的重叠检测和非重叠检测是两种不同的检测方式。
重叠检测是指在一个序列中，子序列之间会有部分重叠的情况，而重叠区域也需要进行检测，并被判定为单独的子序列。
非重叠检测则是指在一个序列中，每个子序列之间没有重叠部分，因此只需要检测每个子序列本身是否满足特定的条件即可。
3.1重叠检测
3.11 重叠检测方法
题目：设计一个序列检测器，用来检测序列 1001，用_状态机完成电路，可重复检测_序列1001
第一步，分析状态机状态转移，分析如下：
IDLE: 初始状态，代表目前没有接收到满足要求的数据。
seq_in = 1时，等于1001中的第一个数，进入S1状态；
seq_in = 0时，保持状态。
S1：代表目前已经有了1个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为10，等于1001中的前两个数，进入S2状态；
seq_in = 1时，当前序列为11，不是1001的前两个数，但1是1001的第一个数，所以保持S1状态。
S2：代表目前已经有了2个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为100，等于1001中的前三个数，进入S3状态；
seq_in = 1时，当前序列为101，不是1001的前三个数，但1是1001的第一个数，所以进入S1状态。
S3：代表目前已经有了3个匹配的数据。
seq_in = 1时，当前序列为1001，与要求序列匹配，进入S4状态；
seq_in = 0时，当前序列为1000，与要求序列不配，0与初始状态匹配，所以进入IDLE状态。
S4：最终状态，代表目前已经得到了匹配的序列，输出信号翻转。
seq_in = 1时，当前序列为10011，1与要求序列的第一个数匹配，所以进入S1状态；
seq_in = 0时，当前序列为10010，10与要求的前两个数匹配，所以进入S2状态。
第二步：根据流程转换分析画出状态机的状态转移图，如下图所示：
第三步：根据状态机转移图用经典三段式（或者二段式）写出verilog代码
3.12verilog代码
//使用状态机设计检测“1001”的序列检测器
//可重叠检测序列“1001”
module sequence_detect03(
input clk ,
input rst_n,
input seq_in,
output reg mismatch //检验序列是否匹配，匹配输出0，不匹配输出0
);
//采用独热码编译五个状态，初始IDLE状态为待机状态
//独热码相比二进制码和格雷码，方便电路设计判断、状态转移，且逻辑更简单
parameter IDLE = 5'b00001;
parameter S1 = 5'b00010;
parameter S2 = 5'b00100;
parameter S3 = 5'b01000;
parameter S4 = 5'b10000;
//定义两个寄存器表示状态机的目前状态和下一状态
reg [4:0] curr_state;
reg [4:0] next_state;
//第一段使用时序逻辑描述状态转移
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
curr_state <= IDLE;
end
else begin
curr_state <= next_state;
end
end
//第二段使用组合逻辑判断状态转移条件
always@(*) begin
if(!rst_n) begin
next_state <= IDLE;
end
else begin
case(curr_state)
IDLE :next_state = seq_in?S1:IDLE;
S1 :next_state = seq_in?S1:S2;
S2 :next_state = seq_in?S1:S3;
S3 :next_state = seq_in?S4:IDLE;
S4 :next_state = seq_in?S1:S2;
default:next_state = IDLE; //养成良好代码风格，不能遗漏，防生成latch，也可以通过赋初值避免
endcase
end
end
//第三段描述状态输出（可以使用组合逻辑，也可以用时序逻辑）
//此处采用时序逻辑，同时也提供组合逻辑代码示例
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin //时序逻辑描述输出
if(!rst_n) begin
mismatch <= 1'b1;
end
else if(next_state == S4) begin
mismatch <= 1'b0;
end
else begin
mismatch <= 1'b1;
end
end
//assign mismatch = (curr_state ==S4) ? 1'b0 : 1'b1; //组合逻辑描述输出
endmodule
3.13Testbench
`timescale 1ns/1ps //仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps
module sequence_detect03_tb();
//信号申明
reg clk;
reg rst_n;
reg seq_in;
wire mismatch;
//复位信号生成
//输入信号生成，输入信号为“1001001001001”
//时钟信号与复位信号赋初值
initial begin
clk = 0;
rst_n = 1;
#5 rst_n = 0;
#10 rst_n = 1;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
end
//时钟信号生成
always #5 clk = ~clk;
//模块实例化（将申明的信号连接起来即可）
sequence_detect03 u_sequence_detect03(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.seq_in (seq_in),
.mismatch (mismatch)
);
endmodule
3.14仿真结果
输入序列1001001001001，根据可重复检测理论上可检测四次信号翻转，从仿真结果可以看到mismatch发生四次翻转，且第二次翻转的1001中的第一个1来自第一组1001中最后一个1，即发生重叠亦可检测。
3.2非重叠检测
3.21 非重叠检测方法
题目：设计一个序列检测器，用来检测序列 1001，用状态机完成电路，可重复检测序列1001
第一步，分析状态机状态转移，分析如下：
IDLE: 初始状态，代表目前没有接收到满足要求的数据。
seq_in = 1时，等于1001中的第一个数，进入S1状态；
seq_in = 0时，保持状态。
S1：代表目前已经有了1个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为10，等于1001中的前两个数，进入S2状态；
seq_in = 1时，当前序列为11，不是1001的前两个数，但1是1001的第一个数，所以保持S1状态。
S2：代表目前已经有了2个匹配的数据。
seq_in = 0时，当前序列为100，等于1001中的前三个数，进入S3状态；
seq_in = 1时，当前序列为101，不是1001的前三个数，但1是1001的第一个数，所以进入S1状态。
S3：代表目前已经有了3个匹配的数据。
seq_in = 1时，当前序列为1001，与要求序列匹配，进入S4状态；
seq_in = 0时，当前序列为1000，与要求序列不配，0与初始状态匹配，所以进入IDLE状态。
S4：最终状态，代表目前已经得到了匹配的序列，输出信号翻转。
seq_in = 1时，当前序列为10011，1与要求序列的第一个数匹配，所以进入S1状态；
seq_in = 0时，当前序列为10010，10与要求的前两个数匹配，但是要求非重叠检测，所以进入IDLE状态。
第二步：根据流程转换分析画出状态机的状态转移图，如下图所示
第三步：根据状态机转移图用经典三段式（或者二段式）写出verilog代码
3.22verilog代码
//使用状态机设计检测“1001”的序列检测器
//非重叠检测序列“1001”
module sequence_detect04(
input clk ,
input rst_n,
input seq_in,
output reg mismatch //检验序列是否匹配，匹配输出0，不匹配输出0
);
//采用独热码编译五个状态，初始IDLE状态为待机状态
//独热码相比二进制码和格雷码，方便电路设计判断、状态转移，且逻辑更简单
parameter IDLE = 5'b00001;
parameter S1 = 5'b00010;
parameter S2 = 5'b00100;
parameter S3 = 5'b01000;
parameter S4 = 5'b10000;
//定义两个寄存器表示状态机的目前状态和下一状态
reg [4:0] curr_state;
reg [4:0] next_state;
//第一段使用时序逻辑描述状态转移
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
curr_state <= IDLE;
end
else begin
curr_state <= next_state;
end
end
//第二段使用组合逻辑判断状态转移条件
always@(*) begin
if(!rst_n) begin
next_state <= IDLE;
end
else begin
case(curr_state)
IDLE :next_state = seq_in?S1:IDLE;
S1 :next_state = seq_in?S1:S2;
S2 :next_state = seq_in?S1:S3;
S3 :next_state = seq_in?S4:IDLE;
S4 :next_state = seq_in?S1:IDLE;
default:next_state = IDLE; //养成良好代码风格，不能遗漏，防生成latch，也可以通过赋初值避免
endcase
end
end
//第三段描述状态输出（可以使用组合逻辑，也可以用时序逻辑）
//此处采用时序逻辑，同时也提供组合逻辑代码示例
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin //时序逻辑描述输出
if(!rst_n) begin
mismatch <= 1'b1;
end
else if(next_state == S4) begin
mismatch <= 1'b0;
end
else begin
mismatch <= 1'b1;
end
end
//assign mismatch = (curr_state ==S4) ? 1'b0 : 1'b1; //组合逻辑描述输出
endmodule
3.23Testbench
`timescale 1ns/1ps //仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps
module sequence_detect04_tb();
//信号申明
reg clk;
reg rst_n;
reg seq_in;
wire mismatch;
//复位信号生成
//输入信号生成，输入信号为“1001001001001”
//时钟信号与复位信号赋初值
initial begin
clk = 0;
rst_n = 1;
#5 rst_n = 0;
#10 rst_n = 1;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 0;#10;
seq_in = 1;#10;
end
//时钟信号生成
always #5 clk = ~clk;
//模块实例化（将申明的信号连接起来即可）
sequence_detect04 u_sequence_detect04(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.seq_in (seq_in),
.mismatch (mismatch)
);
endmodule
3.24仿真结果
输入序列1001001001001，根据可不重叠检测理论上可检测两次信号翻转，从仿真结果可以看到mismatch发生两次翻转，且第二组的1001中的第一个1来自第一组1001中最后一个1，即发生重叠不可检测，所以相比于重叠检测少了第二次翻转（同理第四次翻转同样不可发生）。
四、总结
状态机法序列检测器：一句话概括就是设计复杂、不易扩展但是检测模式灵活。相比使用移位寄存器来说的话，状态机稍稍复杂些，主要体现在不易扩展（重新检测不同序列需重新设计状态转移）和状态机的状态转移判断上；但是这样也给状态机带来了优点 ，就是灵活性好，可以灵活处理输入和输出，因为状态机具有可编程性。同时可以处理较为复杂的序列检测任务，因为状态机可以支持多个状态和转换。
移位寄存器法：一句话概括就是设计简单、易于扩展但是检测模式呆板。相比于使用状态机来说的话，只能处理简单的序列检测任务，因为它没有状态机的多状态和转换功能。且输入和输出的灵活性差，因为寄存器序列移位寄存器是固定的，检测模式固定。但是优势很明显，就是设计和开发相对简单，只需要几个寄存器和逻辑门。且易于扩展，如果要检测另一个序列，只需要修改输入数据。
模式选择：前言部分提到了检测模式包括重叠模式、连续模式、间隔模式等等。本文着重分析重叠与非重叠检测模式，结论是重叠检测模式可以用状态机和移位寄存器设计，非重叠检测模式可以用灵活的状态机设计；本文都是基于默认的连续检测模式设计，如果采用间隔检测模式，处理方法是添加指示信号使能端，可以用状态机和移位寄存器设计。因为设计逻辑简单，所以这部分省略，可自行参照第二部分代码设计。
综上所述，状态机序列检测器适用于处理较为复杂的序列检测任务，而寄存器序列移位寄存器适用于处理简单的序列检测任务。在实际应用中，应根据具体的需求来选择合适的序列检测方法。
不定期检查、补充、纠错，欢迎随时交流纠错
最后修改日期：2023.4.22
软件版本：
仿真软件：Modelsim 10.6c
绘图软件：亿图图示
描述语言：verilog
文章来源: 博客园
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