概述：
移位寄存器在数字电路设计中广泛被使用，列如SPI通讯中的串行输入并行输出，并行输出串行输出，FIR滤波器中作为数据的延迟链，边沿检测中的数据延迟链等等。本节针对移位寄存器的基本应用场景给出基本的模版，并观测FPGA综合后的结构图。
内容：
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一位分立移位寄存器
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串行输入，并行输出延迟链
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循环移位寄存器
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并行输入串行输出延迟链
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总线并行延迟链
1. 一位分立移位寄存器
代码
module regtest(
input clk , // system clock 50Mhz on board
input rst_n, // system rst, low active
input a ,
output[3:0] y1 // output signal
);
reg a_dly1 ;
reg a_dly2 ;
reg a_dly3 ;
assign y1={a_dly3,a_dly2,a_dly1,a}; //穿行输入，并行输出
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
a_dly1 <= 1'b0 ;
a_dly2 <= 1'b0 ;
a_dly3 <= 1'b0 ;
end else begin
a_dly1 <= a ;
a_dly2 <= a_dly1 ;
a_dly3 <= a_dly2 ;
end
end
endmodule
RTL结构图，移位寄存器的结构通过FDC触发器串联构成。
技术原理图
2. 串行输入并行输出
代码
module regtest(
input clk , // system clock 50Mhz on board
input rst_n, // system rst, low active
input a ,
output[3:0] y1 // output signal
);
reg[3:0] abus ;
assign y1=abus;
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
abus <= 1'b0 ;
end else begin
abus <= {abus[2:0],a} ;
end
end
endmodule
RTL结构图
技术原理图，总线结构移位寄存器更加简洁，但是实现的电路结构是一样的。
3. 循环移位寄存器
代码
module regtest(
input clk , // system clock 50Mhz on board
input rst_n, // system rst, low active
input[3:0] a ,
output[3:0] y1 // output signal
);
reg[3:0] abus ;
assign y1=abus;
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
abus <= 1 ;
end else begin
abus <= {abus[2:0],abus[3]} ;
end
end
endmodule
RTL结构图
技术原理图
4. 并行输入，串行输出
代码
module regtest(
input clk , // system clock 50Mhz on board
input rst_n, // system rst, low active
input[3:0] a ,
input load_signal,
input clock_enable,
output reg y1 // output signal
);
reg[3:0] abus ;
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
abus <= 4'b0 ;
end else if (load_signal) begin
abus <= a ;
end else if (clock_enable) begin
abus <= {1'b0,abus[3:1]};
y1 <=abus[0];
end
end
endmodule
RTL结构图
技术原理图
5. 总线并行延迟链
代码
module regtest(
input clk , // system clock 50Mhz on board
input rst_n, // system rst, low active
input[3:0] a ,
input load_signal,
input clock_enable,
output [3:0] y1 // output signal
);
reg[3:0] abus [5:0];
integer i;
assign y1 = abus[5];
always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
for (i=0;i<6;i = i+1)begin
abus[i] <= 4'b0;
end
end else begin
for (i=1;i<6;i = i+1)begin
abus[i] <= abus[i-1];
end
abus[0] <= a;
end
end
endmodule
RTL结构图
技术原理图，总线延迟链中使用了SRL16移位寄存器来实现数据延迟，这是LUT内部的移位寄存器，他可以节省flip_flop的使用。
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总结
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移位寄存器广泛用于通讯的输入输出端口输出，FIR滤波的延迟，以及随机数生成等场景
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FPGA内部使用flip_flop触发器来实现移位寄存器
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对于大量的移位操作，FPGA可以使用LUT4的SRL16移位寄存器来实现。