【FPGA/IC】RAM-Based Shift Register Xilinx IP核的使用

前言

一般来讲，如果要实现移位寄存器的话，通常都是写RTL用reg来构造，比如1bit变量移位一个时钟周期就用1个reg，也就是一个寄存器FF资源，而移位16个时钟周期就需要16个FF，这种方法无疑非常浪费资源。

Xilinx FPGA的SLICEM中的一个查找表LUT可以配置为最多移位32个时钟周期的移位寄存器，这比直接用FF来搭省了31个FF资源。

这种方法可以通过调用原语SRL16E（最多16个周期）和SRLC32E（最多32个周期）来实现。

   SRL16E #(
      .INIT(16'h0000),        // Initial contents of shift register
      .IS_CLK_INVERTED(1'b0)  // Optional inversion for CLK
   )
   SRL16E_inst (
      .Q(Q),     // 1-bit output: SRL Data
      .CE(CE),   // 1-bit input: Clock enable
      .CLK(CLK), // 1-bit input: Clock
      .D(D),     // 1-bit input: SRL Data
      // Depth Selection inputs: A0-A3 select SRL depth
      .A0(A0),
      .A1(A1),
      .A2(A2),
      .A3(A3) 
   );

   // End of SRL16E_inst instantiation
                    
                    

// SRLC32E: 32-bit variable length cascadable shift register LUT (Mapped to a SliceM LUT6)
// with clock enable
 
SRLC32E #(
.INIT(32'h00000000) // Initial Value of Shift Register
) SRLC32E_inst (
    .Q(Q),             // SRL data output
    .Q31(Q31),         // SRL cascade output pin
    .A(A),             // 5-bit shift depth select input
    .CE(CE),         // Clock enable input
    .CLK(CLK),         // Clock input
    .D(D)             // SRL data input
);
 
// End of SRLC32E_inst instantiation

如果需要实现更多时钟周期的移位寄存器，则可以使用多个SRLC32E或者SRL16E来级联实现。

IP核的定制

除了用原语实现外，还可以调用 RAM-Based Shift Register 这个IP核来实现。IP核实现方法使用不如原语方便，但是其对实现方式做了一些优化，具有比原语更好的时序性能。

第一页内容

1. Shift Register Type：fixed length为固定长度；variable length lossless为可变长度
2. optimization：只有选择可变长度时才可选，可以选择优化面积还是优化时序。如果优化时序，则可能会多几个延迟latency。
3. clocking options：Register last bit只有选择可变长度时才可选，会把输出寄存一拍以改善时序，同时增加一个时钟的延迟。clock enable（CE）时钟使能功能。
4. dimensions：width移位寄存器宽度，depth移位寄存器深度。
5. latency information：延迟信息，根据各个选项的不同，输出延迟可能会增加1~3个时钟周期。

第二页内容

1. initialization options：初始化选项，选择初始化的进制radix和默认值default data。
2. COE file：初始化的值还可以选择从COE文件来载入。

第三页

1. power-on reset settings：上电复位设置选项，选择上电复位的进制radix和初始值init data。
2. synchronous settings：同步设置，可以设置同步复位SCLR和同步置位SSET，二者的优先级可选，默认复位优先级高于置位，如果选择置位优先级更高，则会消耗多余的资源。复位/置位与初始化SINT二者之间互斥。这三个选项一般都没必要用。
3. synchronous controls(sync) and clock enable(CE) priority：选择同步控制信号和CE信号的优先级。默认同步控制信号的优先级高于CE，反之则会消耗多余的资源。

IP核的仿真使用

定制一个深度为64，位宽为16的IP核，然后编写RTL代码：

//固定的深度64个时钟周期，位宽16的移位寄存器IP核设计
module shift_w16_d64(
    input            clk,    //时钟信号
    input    [15:0]    in,        //移位前的输入数据，位宽为16
    input            ce,        //时钟使能信号
    output    [15:0]    out        //移位后的输出，位宽为16
);

//移位寄存器IP；固定移位64个时钟周期，位宽16
c_shift_ram_1 your_instance_name (
  .D    (in),    //移位前的输入数据，位宽为16
  .CLK    (clk),    //时钟信号
  .CE    (ce),    //时钟使能信号
  .Q    (out)    //移位后的输出，位宽为16
);

endmodule

综合后的资源使用情况：32个LUT + 32个FF。

看下综合后的电路图：

因为1个SRLC32E可以实现32个周期的移位，所以16×64的移位操作实际上只需要32个SRLC32E就可以实现了，为了改善时序性能，IP核在输入端口和输出端口一共用了2×16 = 32个FF来打拍寄存。

接下来编写TB：时钟使能信号一直拉高，输入数据从1开始累加。

`timescale 1ns/1ns
module tb_shift_w16_d64();

//信号声明
reg            clk;
reg            rst;
reg    [15:0]    in;    
reg            ce;    
wire[15:0]    out;

//被测模块实例化
shift_w16_d64    inst_shift_w16_d64(
    .clk    (clk),
    .in        (in),
    .ce        (ce),
    .out    (out)
);    

//生成时钟信号
initial begin
    clk    = 1'b0;
    forever #5 clk = ~clk;
end

//生成复位信号
initial begin
        rst = 1'b1;    //复位
    #45 rst = 1'b0; //取消复位
end 

//生成输入数据与时钟使能信号
always @(posedge clk or posedge rst)begin
    if(rst)begin
        in <= 16'd0;
        ce <= 1'b0;
    end
    else begin 
        in <= in + 1'b1;    //输入数据累加1
        ce <= 1'b1;            //时钟使能信号一直拉高
    end
end

//仿真过程
initial begin
    #1000 $stop;    //关闭仿真    
end

endmodule

仿真结果如下：

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