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《一生一芯》数字实验六：实现随机数发生器

news 来源：原创 2025/6/6 8:00:12

实验目标

我们可以利用8位移位寄存器来实现一个简单的随机数发生器。经典的LFSR（线性反馈移位寄存器， Linear-feedback shift register ）可以使用n位移位寄存器生成长度为 2n−1 的二进制循环序列。这类序列的片段在表观上是随机的，所以被广泛用于通信中的随机序列生成。例如，在CDMA通信中的长码的长度就是 242−1 的伪随机序列。

具体实现时，可以用一个8位右移移位寄存器，从左到右的比特以 x7x6x5x4x3x2x1x0 表示。每个时钟周期右移一位， x0 被移出，最左边移入的位按照上一周期的值计算 1 ：

x8=x4⊕x3⊕x2⊕x0

例如，初始二进制值为00000001时，移位寄存器的状态将按 00000001→10000000→01000000→001000000→00010000→10001000… 变化。该序列的周期为255。当然，当初始值为全零时，系统将一直停留在全零状态，所以需要对全零状态进行特殊处理。

请实现一个8位的周期为255的伪随机序列，以按钮为时钟信号，并请将8位二进制数以十六进制显示在数码管上，在DE10-Standard开发板上观察生成的随机数序列。

实验收获

1. 理解如何通过移位寄存器来实现随机数发生器

2. 复位信号不起作用，还不清楚是什么原因

实验过程

1. 新增lfsr_8bit.v 文件

利用8位移位寄存器来实现一个经典的LFSR的随机数发生器。为了方便查看，增加了一个延时机制。

module lfsr_8bit (input        clk,      // 时钟输入（按钮）input        rst_n,    // 复位信号（低电平有效）output reg [7:0] q     // 8位LFSR输出
);wire feedback;parameter CLK_NUM = 500000;reg [31:0] count;// 对于8位LFSR，使用抽头位置7、5、4、3（X^8 + X^7 + X^5 + X^4 + X^3 + 1）assign feedback = q[7] ^ q[5] ^ q[4] ^ q[3];always @(posedge clk ) beginif (rst_n) begin// 复位时设置非零初始值（例如00000001）q <= 8'b00000001;count <= 0; // 复位计数器end else begin// 特殊处理：如果当前状态为全零，强制设置为非零值if (q == 8'b00000000) beginq <= 8'b00000001;end else begin// 每CLK_NUM个时钟周期更新一次LFSR状态if(count == CLK_NUM) begin  q <= {q[6:0],feedback};  end // 右移一位，最左边移入反馈值count <= (count == CLK_NUM) ? 0 : count + 1;endendendendmodule

2. 新增lfsr_8bit_seg.v文件

因为需要用十六位进制的显示，因此只需到了SEG0和SEG1两个SEG。其它7个SEG进行了熄灯操作。

module lfsr_8bit_seg(input wire clk,     // 时钟输入input wire rst,     // 复位信号（低电平有效）input  wire [7:0] data,    // 8位数据输入output [7:0] o_seg0,output [7:0] o_seg1,output [7:0] o_seg2,output [7:0] o_seg3,output [7:0] o_seg4,output [7:0] o_seg5,output [7:0] o_seg6,output [7:0] o_seg7
);// 七段数码管编码表（共阳极，段顺序：dp,g,f,e,d,c,b,a）reg [7:0] seg_table [0:15];reg [7:0] seg0, seg1;// 初始化七段编码表initial beginseg_table[0]  = 8'b11111100; // 0 → abcdef亮 [1](@ref)seg_table[1]  = 8'b01100000; // 1 → bc亮seg_table[2]  = 8'b11011010; // 2 → abdeg亮seg_table[3]  = 8'b11110010; // 3 → abcdg亮seg_table[4]  = 8'b01100110; // 4 → bcfg亮seg_table[5]  = 8'b10110110; // 5 → acdfg亮seg_table[6]  = 8'b10111110; // 6 → acdefg亮seg_table[7]  = 8'b11100000; // 7 → abc亮seg_table[8]  = 8'b11111110; // 8 → abcdefg全亮（缺dp）[1,seg_table[9]  = 8'b11110110; // 9 → abcdfg亮（缺e段）seg_table[10] = 8'b11101110; // A(10) → abcefg亮（缺d段）seg_table[11] = 8'b00111110; // B(11) → cdefg亮（缺ab段）seg_table[12] = 8'b10011100; // C(12) → adef亮（缺bcg段）seg_table[13] = 8'b01111010; // D(13) → bcdeg亮（缺af段）seg_table[14] = 8'b11011110; // E(14) → adefg亮（缺bc段）seg_table[15] = 8'b11101110; // F(15) → aefg亮（缺bcd段）end// 仅使用前两位数码管显示8位数据（高4位和低4位）always @(posedge clk ) beginif (rst) beginseg0 <= 8'b11111111; // 复位时关闭所有段seg1 <= 8'b11111111; // 复位时关闭所有段end else begin// 使用低4位和高4位数据来显示// 注意：这里假设data是8位二进制数，seg_table的索引范围是0-15// 因此data[3:0]和data[7:4]分别对应低4位和高4位seg0 <= ~ seg_table[data[3:0]];seg1 <= ~ seg_table[data[7:4]];endendassign   o_seg0 = seg0 ;assign   o_seg1 = seg1 ;assign   o_seg2 = 8'b11111111; // dp段关闭assign   o_seg3 = 8'b11111111; // dp段关闭assign   o_seg4 = 8'b11111111; // dp段关闭     assign   o_seg5 = 8'b11111111; // dp段关闭     assign   o_seg6 = 8'b11111111; // dp段关闭     assign   o_seg7 = 8'b11111111; // dp段关闭     endmodule

3. 修改top.v 文件

例化lfsr模块和对应的SEG 显示模块

module top(input clk,input rst,input [4:0] btn,input [15:0] sw,input ps2_clk,input ps2_data,input uart_rx,output uart_tx,output [15:0] ledr,output VGA_CLK,output VGA_HSYNC,output VGA_VSYNC,output VGA_BLANK_N,output [7:0] VGA_R,output [7:0] VGA_G,output [7:0] VGA_B,output [7:0] seg0,output [7:0] seg1,output [7:0] seg2,output [7:0] seg3,output [7:0] seg4,output [7:0] seg5,output [7:0] seg6,output [7:0] seg7,output [7:0] q, //实验六：8bit LFSRoutput [3:0] result, //实验三：简易4bit ALUoutput zero, //实验三：简易4bit ALUoutput overflow,//实验三：简易4bit ALUoutput carry //实验三：简易4bit ALU
);//实验六：8bit LFSR// output declaration of module lfsr_8bit
//reg [7:0] q;lfsr_8bit u_lfsr_8bit(.clk   	(clk    ),.rst_n 	(rst  ),.q     	(q      )
);lfsr_8bit_seg u_lfsr_8bit_seg(.clk   	(clk    ),.rst   	(rst    ),.data   	(q   ),.o_seg0 	(seg0 ),.o_seg1 	(seg1  ),.o_seg2 	(seg2  ),.o_seg3 	(seg3  ),.o_seg4 	(seg4  ),.o_seg5 	(seg5  ),.o_seg6 	(seg6  ),.o_seg7 	(seg7  )
);

4.修改 main.cpp文件

在main中添加对随机数的跟踪校对

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <nvboard.h>#include "Vtop.h"#include "verilated.h"#include "verilated_fst_c.h"   //用来生成.fst文件static TOP_NAME* dut;static VerilatedContext* contextp;  // 全局变量static VerilatedFstC *tfp;          // 全局变量void nvboard_bind_all_pins(TOP_NAME* top);static void single_cycle() {// 低电平周期dut->clk = 0;dut->eval();tfp->dump(contextp->time());contextp->timeInc(5);  // 假设时钟周期为10个时间单位// 高电平周期dut->clk = 1;dut->eval();tfp->dump(contextp->time());contextp->timeInc(5);
}static void reset(int n) {dut->rst = 1;while (n -- > 0) single_cycle();dut->rst = 0;}int main(int argc, char** argv) {contextp = new VerilatedContext;  // 初始化全局变量Vtop* top = new Vtop{contextp};dut = top;tfp = new VerilatedFstC;          // 初始化全局变量contextp->commandArgs(argc, argv);contextp->traceEverOn(true); //打开追踪top->trace(tfp, 99);  // 增加追踪深度tfp->open("wave.fst");  //保存位置nvboard_bind_all_pins(dut);nvboard_init();reset(10);int count = 0;while (!contextp->gotFinish()) {nvboard_update();single_cycle();count++;// 实验三： printf("A = %d,B = %d ,opcode = %b, result = %3d ,zero = %d ,overflow = %d ,carry = %d  \n",//        top->sw & 0x0f,(top->sw >> 4) & 0x0f,(top->sw >> 8) & 0x07, top->result, top->zero, top->overflow, top->carry);printf("lfsr q = 0x%x \n", top->q );if(count > 300000000)break;}delete top;tfp->close();delete contextp;return 0;}

5. 运行结果

打印结果和SEG 的显示值是一致的。