移位寄存器

前言

        移位寄存器（Shift Register）是一种数字电路组件，广泛用于计算机和电子系统中。它主要用于在数字电路中存储和移动数据。移位寄存器可以在其内部存储多个二进制位，并通过串行或并行方式将数据移位（即向左或向右移动）到寄存器的不同位置。做很多图像算法时，经常需要用到模板运算，如Sobel图像边缘检测、中值滤波、均值滤波的处理这些问题时，可以借用Altera提供的移位寄存器ip核来简化设计，提高设计效率。
 

正文

一、移位寄存器

        1.项目需求

      假设图像数据在一个rom中。比如下图所示排放，行加列的值作为该数据的地址。  

        在图像处理邻域，要实现Sobel或者均值滤波等算法，需要按照3*3矩形的格式提取数据。

        2.技术介绍

        这里可以使用Shift_register的ip核来实现功能

        In[7:0]是从rom中读出的数据，用一个计数器作为rom的地址，每次地址加1，将移位寄存器比作“fifo”在计数器记到16时，in[7:0]当前数据为地址16的数据此时在Shiftout0[7:0]输出该数据，在Shiftout1[7:0]输出地址为8的数据，Shiftout2[7:0]输出地址为0的数据。在后续计数会依次输出1、9、17地址上的数据，直到扫描完整个rom。

ip核调用参考上图数据，选择shift register（RAM-based）

设置位宽8位，需要2个taps，并勾选生成inst文件。

        3.顶层架构

        counter模块产生rom地址，en在计数器记到16后拉高，shift_register中调用ip核Shift_register，对rom的数据进行移位并输出，计数器16之前shift_register的输出未定，故此时en拉低，16之后输出稳定，en使能。

        4.端口描述

二、代码验证

        counter模块：产生rom地址数据，计数16时en拉高。

module counter(
 
	input clk,
	input rst_n,
	
	output reg [7:0]cnt,//rom地址
	output reg shift_en//Shift_register使能信号
	
);
 
always @(posedge clk,negedge rst_n)
begin
	if(rst_n == 0)
		begin
			cnt <= 8'd0;
			shift_en <= 1'b0;
		end
	else
		begin
			if(cnt >= 16)//地址>16时Shift_register开始输出
				begin 
					cnt <= cnt + 8'd1;
					shift_en <= 1'b1;
				end
			else
				cnt <= cnt + 8'd1;
		end
end
endmodule

        shift_register模块：调用ip核Shift_register进行数据处理。

module shift_register(
 
	input clk,
	input rst_n,
	input [7:0]in,
	input shift_en,
	
	output [7:0]shifout1,
	output [7:0]shifout2,
	output [7:0]shifout3
 
);
 
wire [15:0]taps;
 
assign shifout1 = shift_en?in	:8'd0;//16、17、18...地址数据
assign shifout2 = shift_en?taps[ 7:0]:8'd0;//8、9、10...地址数据
assign shifout3 = shift_en?taps[15:8]:8'd0;//0、1、2...地址数据
my_shift	my_shift_inst (
	.clock ( clk ),
	.shiftin ( in ),
	.shiftout (  ),
	.taps ( taps )
	);
endmodule

        shift_reg模块：顶层连线

module shift_reg(
 
	input clk,
	input rst_n,
	
	output [7:0]shiftout1,
	output [7:0]shiftout2,
	output [7:0]shiftout3
	
);
 
wire [7:0]cnt;
wire [7:0]in;
wire shift_en;
 
my_rom	my_rom_inst (
	.address ( cnt ),
	.clock ( clk ),
	.q ( in )
	);
 
counter counter_inst(
 
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
 
	.cnt(cnt),
	.shift_en(shift_en)
	
);
 
shift_register shift_register_inst(
 
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	.in(in),
	.shift_en(shift_en),
	
	.shifout1(shiftout1),
	.shifout2(shiftout2),
	.shifout3(shiftout3)
 
);
 
endmodule

        仿真模块

`timescale 1ns/1ps
module shift_reg_tb;
 
	reg clk;
	reg rst_n;
	
	wire [7:0]shiftout1;
	wire [7:0]shiftout2;
	wire [7:0]shiftout3;
 
shift_reg shift_reg_inst(
 
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	
	.shiftout1(shiftout1),
	.shiftout2(shiftout2),
	.shiftout3(shiftout3)
	
);
 
	
initial clk = 1;
always #10 clk = ~clk;
	
initial begin
	rst_n = 0;
	#20
	rst_n = 1;
	#1000
	$stop;
end
 
endmodule

三、仿真验证

运行modelsim进行仿真，可以看到有数据产生，对照rom的mif文件，产生数据正确，调出其他模块信号进行观察。

可以看到在cnt=16的时钟上升沿，en拉高，Shift_register开始输出。

参考资料

移位寄存器存储器