序

水平太差了。

第一题

题干

第一题是一个组合逻辑的运用。给出一个位宽为 36 的输入 a ，代表一个 6 x 6 的矩阵。再给出一个位宽为 9 的输入，代表一个 3 x 3 的卷积核。要求输出一个位宽为 16 的输出 ans ，代表卷积后的 4 x 4 的矩阵。卷积的具体算法也给出了。由于输入是从低到高依次填入矩阵，所以矩阵元素 $M[i][j] = {a_{i \times n + j}}$ 。

总的来说，第一题只要照葫芦画瓢即可。

第二题

题干

一个应用题类型的题。有一个 op 输入，表示四种操作。分别是往一个长度 128 的数组最低位添加元素（原有元素往高位移动 1 位）、读取指定位的元素、统计某元素的个数、以及保持上一周期输出。

思考

光看题干其实这题并不难，但是需要掌握很多东西才能做。首先是 Verilog 中数组的定义：

1	<类型> <位宽声明> <数组名> <长度声明>;

其中长度声明和位宽声明一样是 [高位:低位]。访问元素直接用下标即可。

然后是给数组初始化，在 initial 块和 reset 触发时，用 for 循环完成。在 reset 触发时，记得使用非阻塞赋值。

直到这时我才知道 initial 块应当被归类到组合逻辑中，使用阻塞赋值。

integer i;
initial begin
  for (i = 0; i < 128; i = i + 1)
    array[i] = 3'b000;
end

题目的关键在于统计某元素的个数。如果说在时序逻辑块里面写这样的代码：

integer i;
reg [7:0] cnt <= 0;
for (i = 0; i <= 127; i = i + 1) begin
  if (array[i] == query) cnt <= cnt + 1;
end

这就错了。考虑某一上升沿，开始执行这一部分代码。cnt 初始化为 0。当满足 if 条件，cnt 为 0 的快照在赋值语句右侧，也就是 cnt = cnt(为0) + 1。只有当 always 完全结束，右侧才会赋给左侧。但 for 循环仍在继续，第二次满足 if 条件，又执行 cnt = cnt(为0) + 1，因此 for 循环无论执行多少次，等 always 结束，cnt 只会变成 1。再次执行 always，再次执行 for，再次结束后，cnt 会变成 2（如果 if 还能满足的话）。宏观上，这表现为 cnt 每个上升沿 + 1，而非一次性得到 cnt 真正的值。

有两种解决方案：

//（换成阻塞赋值）
integer i;
reg [7:0] cnt = 0;
for (i = 0; i <= 127; i = i + 1) begin
  if (array[i] == query) cnt = cnt + 1;
end

或

//（另开一个组合逻辑块）
integer i;
always @(*) begin
    cnt = 0;
    for (i = 0; i <= 127; i = i + 1) begin
        if (array[i] == query)
            cnt = cnt + 1;
    end
end

第三题

题干

设计一个 Moore 机，对一个 json 序列进行有效性检测并统计键值对数量。每个周期内，串行输入 json 序列的一个字符。
json 的格式已简化如下：

1	{"key1":"value1","key2":"value2","key3":"value3"}

中间不会有任何空白字符。

对于所有输入的 json 序列，都满足以下格式规范：

每个 json 序列以左大括号 “{” 为开始，以右大括号 “}” 为结束。内部不包含嵌套大括号。
每个 json 序列内部由不定组键值对组成，每组键值对之间用逗号 “,” 隔开。可以没有键值对，也可以有多组键值对。最多包含 255 组键值对。
键值对的格式严格符合 "key":"value" 。其中内部的 key 和 value 可被替换且至少有一个字符（不为空字符串），例如 "test":"CO" 。字符串由大小写字母和数字组成，不包含嵌套双引号，长度最多为 15 个字符。
相邻两个 json 序列间用若干个空格隔开（可以没有空格）。例如 {"fruit":"apple"} {}{"animal":"cat"} 。

输出介绍：

cur_num: 输出当前 json 序列的键值对数目。具体的，在每个 json 序列输入完毕的下一个时钟上升沿更新该 json 序列中的键值对数目。
max_num: 输出历史输入的 json 序列的键值对数目的最大值。具体的，每次 cur_num 更新时，同步更新 max_num 为历史所有 cur_num 中的最大值。

特别情况：

正常情况下 json 序列键值对中的字符串不为空，即至少有一个字符。
若 json 序列键值对中的字符串出现空串，即 {"":"value"} 或 {"key":""} ，则该 json 序列为无效序列，其 cur_num 视为 8'd0 。 json 序列为有效序列当且仅当内部所有键值对的字符串都不是空串。
除了上述情况外，不会出现其他非法情况。即输入的 json 序列只有两种：1. 合法 json 序列，所有键值对的字符串均不为空串。 2. 无效 json 序列，至少有一个字符串是空串。

思考

这题要求多，状态也多。在输入 “{” 时，要考虑下一个是 “}” 的情况。这时需输出 cur_num 为 0，max_num 不变。如果输入左引号后接着输入右引号，那么整个 json 都是无效的，在输入 “}” 后同样 cur_num 为 0，max_num 不变。

在更新 max_num 的时候我遇到了问题。按理说，对于时序逻辑，我们必须避免使用阻塞赋值。但是此处我却不得不用上它：

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if (!isInvalid) cur_num <= cur_num + 1;
else cur_num <= 0;
if (cur_num > max_num) max_num <= cur_num;

倘若要更新 max_num，问题就出现了。非阻塞赋值把 cur_num 做一个快照，然后赋给 max_num。也就是说 max_num 拿到的是 + 1 前的 cur_num，导致出现延迟。倘若要实现理想的效果，则需要改为：

1
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3

if (!isInvalid) cur_num = cur_num + 1;
else cur_num = 0;
if (cur_num > max_num) max_num = cur_num;

isInvalid 用来标志该 json 串是否为空串或异常串。

这的确是对的。

不过我们还是遵从代码规范吧，不要用阻塞赋值，于是我改了这样一版：

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if (!isInvalid) cur_num <= cur_num + 1;
else cur_num <= 0;
if (cur_num > max_num) max_num <= cur_num + 1;

这根本不对。我们就假设 cur_num = 0，max_num = 0 好了。现在我要把 cur_num + 1，然后赋给 max_num。但是由于非阻塞赋值的原因，在 if 条件比较的时候比的是两个 0，也就是说条件都进不去。

这时候读者朋友肯定要说了：“你把条件改成 cur_num >= max_num 不就行了？”诶，事实证明，这其实还是错的。如果我的 max_num = 0，然后碰到一个空串会怎样呢？首先 isInvalid = 1，进入 else cur_num <= 0 的条件。cur_num 都是 0 了，那肯定不需要更新 max_num 了。然而，max_num 拿到的是之前的快照，甚至还 + 1，这下更不更新就不好说了。所以最正确的写法是：

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3

if (!isInvalid) cur_num <= cur_num + 1;
else cur_num <= 0;
if (!isInvalid && (cur_num > max_num)) max_num <= cur_num + 1;

这题作为一个有限状态机的题，确实略微复杂，特别是需要深刻理解阻塞赋值和非阻塞赋值的差异。如果抛弃实用性来说，只要知道自己为什么要用阻塞赋值，在时序逻辑中使用是可以理解的。然而实用性大于天，所以还是用非阻塞吧~

SamuFlore's Dimension

[CO P1]P1 上机之思考

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第三题

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