【Verilog学习日常】—牛客网刷题—Verilog进阶挑战—VL25

输入序列连续的序列检测

描述

请编写一个序列检测模块，检测输入信号a是否满足01110001序列，当信号满足该序列，给出指示信号match。

模块的接口信号图如下：

模块的时序图如下：

请使用Verilog HDL实现以上功能，并编写testbench验证模块的功能

输入描述：

clk：系统时钟信号

rst_n：异步复位信号，低电平有效

a：单比特信号，待检测的数据

输出描述：

match：当输入信号a满足目标序列，该信号为1，其余时刻该信号为0

解题思路

思路一：经典有限状态机三段式

与【Verilog学习日常】---牛客网刷题---Verilog快速入门---VL70-CSDN博客的思路一致；

可设置以下状态：

IDLE（S0）：初始状态，表示电路还没有收到任何一个有效数值；

S1 ：表示电路收到一个有效的"0"；

S2 ：表示电路收到两个有效的"01"；

S3 ：表示电路收到三个有效的"011"；

S4 ：表示电路收到四个有效的"0111"；

S5 ：表示电路收到五个有效的"01110"；

S6 ：表示电路收到六个有效的"011100"；

S7 ：表示电路收到七个有效的"0111000"；

S8 ：表示电路收到七个有效的"01110001"；

根据输出表述，"当输入信号a满足目标序列时，match信号为1，" 因此可画出如下所示的状态转移图 和状态转移表；

格雷码的相关知识

++Gray码也称为循环码，++ 其最基本的特性是任何相邻的两组代码中，仅有一位数码不同 ，因而又称为单位距离码。减少了产生毛刺和一些暂态的可能。

Gray码的编码方式有多种，典型的格雷码如下所示：

|------|----|----|----|----|-------|-------|-------|-------|
| 十进制数 | 二进制码 |||| Gray码 ||||
| 十进制数 | B3 | B2 | B1 | B0 | G3 | G2 | G1 | G0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |

从上述表中可以看出，这种编码除了具有单位距离码的特点之外，还有一个特点就是具有反射特性 ；例如上表中的不同颜色的字体部分（红、蓝、橙），除最高位互补反射外，其余低位数沿对称轴镜像对称、++利用这一反射特性可以方便地构成位数不同的Gray码++；

Gray码的单位距离特性 具有很重要的意义。假如两个相邻的十进制数13和14，相应的二进制码为1101 和1110 ；若使用二进制数进行加1计数时，如果从13变成14，二进制码的最低两位都要改变，但实际上两位改变不可能完全同时发生，若先最低位置0，然后次低位再置1，则中间会出现1101-1100-1110，即++出现短暂的1100++ ；由于++格雷码只有一位编码，因此完全杜绝了这种错误的发生++；

代码如下

cpp 复制代码

`timescale 1ns/1ns
module sequence_detect(
	input clk,
	input rst_n,
	input a,
	output reg match
	);

reg [3:0] current_state, next_state;
//格雷码
parameter [3:0] IDLE = 4'b0000;
parameter [3:0] S1 = 4'b0001;
parameter [3:0] S2 = 4'b0011;
parameter [3:0] S3 = 4'b0010;
parameter [3:0] S4 = 4'b0110;
parameter [3:0] S5 = 4'b0111;
parameter [3:0] S6 = 4'b0101;
parameter [3:0] S7 = 4'b0100;
parameter [3:0] S8 = 4'b1100;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if (!rst_n)	current_state <= IDLE;
	else		current_state <= next_state;
end

always @(*) begin
	case(current_state)
		IDLE: if (a == 1'b0) next_state = S1; else next_state = IDLE;
		S1:   if (a == 1'b1) next_state = S2; else next_state = S1;
		S2:   if (a == 1'b1) next_state = S3; else next_state = S1;
		S3:	  if (a == 1'b1) next_state = S4; else next_state = S1;
		S4:   if (a == 1'b0) next_state = S5; else next_state = IDLE;
		S5:   if (a == 1'b0) next_state = S6; else next_state = S2;
		S6:   if (a == 1'b0) next_state = S7; else next_state = S2;
		S7:   if (a == 1'b1) next_state = S8; else next_state = S1;
		S8:   if (a == 1'b0) next_state = S1; else next_state = S3;
		default: next_state = IDLE;
	endcase
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if (!rst_n) match <= 1'b0;
	else begin
		case (current_state) 
		IDLE: match = 1'b0;
		S1:   match = 1'b0;
		S2:   match = 1'b0;
		S3:   match = 1'b0;
		S4:   match = 1'b0;
		S5:   match = 1'b0;
		S6:   match = 1'b0;
		S7:   match = 1'b0;
		S8:   match = 1'b1;
		default:   match = 1'b0;
		endcase
	end
end
endmodule

思路二：使用移位寄存器

移位寄存器可以用来实现数据的串并转换 ，也可以构成移位行计数器 ，进行计数、分频，还可以构成序列码发生器、序列码检测器等，它也是数字系统中应用非常广泛的时序逻辑之一；

代码如下：

根据检测序列位数确定寄存器的位数；

cpp 复制代码

`timescale 1ns/1ns
module sequence_detect(
	input clk,
	input rst_n,
	input a,
	output reg match
	);

//代码二
//使用8位移位寄存器
reg [7:0] shift_q;
//注意：必须使用非阻塞赋值语句（若使用 "="会报错）
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if (!rst_n) begin shift_q <= 8'b0000_0000; match <= 1'b0; end
	else begin
		shift_q [7:0] <= {shift_q[6:0], a};
		if (shift_q == 8'b0111_0001) match <= 1'b1;
		else	match <= 1'b0;
	end
end
endmodule