非整数倍的位宽转换电路

以下内容摘自：《正点原子逻辑设计指南》

非整数倍的位宽转换与整数倍相比会稍微复杂一些。非整数倍的位宽转换指的是 1.5 倍位宽转换或者 2.5 倍位宽转换等等，比如位宽 8bit，需要转换为 12bit 的位宽转换。

一、简介

非整数倍的位宽转换指的是进行 1.5 倍位宽转换或者其他带有小数倍数的位宽转换设计，非整数倍的位宽转换比较复杂，为什么比较复杂呢？大家可以先思考下，下面我们来进行分析，假设 a 数据位宽为 8bit， b 信号位宽为 12bit，刚好是 1.5 倍的位宽转换，如下图所示，我们可以看出，两个周期的 a 数据才能发送一次b 数据，但是 b 只能发送 12bit 数据，两个周期的 a 数据量有 16bit，还剩下 4bit 数据没有发送完，这 4bit 数据需要和下一个周期的 a 数据继续拼接产生一个 b 数据，1.5 倍的位宽转换刚好是三个 a 数据，产生两个 b 数据信息，如下图所示所示。

我们来看下非整数倍的位宽转换，如下图所示，一个是 A 模块，一个是 B 模块，一般模块的接口由数据信号和数据有效指示 vld 构成，A 模块的位宽是8bit，B 模块的位宽是 12bit，这两个模块是没有办法直接对接的，中间需要一个位宽转换模块。

下面我们来分析下如何设计这个位宽转换，我们假设位宽转换输入信号为数据 a 和 a_vld，a 为 8bit信号，输出信号为数据 b 和 b_vld，b 为 12bit 信号。

我们先来画下位宽转换的输入信号的时序图，如下图所示。

如上图所示，假设 a 信号会持续五个时钟周期，即 a_vld 在五个时钟周期全部为 1，每个时钟周期都有数据，分别是 0x55、0xaa、0xbb、0xcc 和0xdd。而输出信号 b 是 12bit，12bit 数据需要 1.5 个 8bit 数据，由此我们可以画出 b 的时序图，如上图所示。

由上图可以看出，b_vld 都是在 a 传输了两个 8bit 数据后才为高 1 次，但是会持续 2 拍，b_vld 在周期 2 和周期 3 都为 1，因为此时有 3 个 8bit 数据，刚好可以传输两个 12bit 数据。在两个 b_vld 产生之后，b_vld 为 0，等待 a 数据继续来，当再次出现两个 a_vld 时，b_vld和 b 数据继续产生，和周期 2 和周期 3 类似。

二、程序设计

module width_change_8to12 
( 
    input clk , // system clock 50Mhz on board
    input rst_n , // system rst, low active 
    input a_vld , // input a_vld
    input [7:0] a , // input a 
    output reg b_vld , // output b_vld 
    output reg [11:0] b // output b
);
 
 // reg define 
 
 reg [1:0] vld_cnt ; 
 reg [7:0] a_lock ; 
 
 //===========================================================================
 // ------------------------- MAIN CODE -------------------------------------
 //===========================================================================
 
 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        vld_cnt <= 2'b0 ;
    else if ( a_vld == 1'b1 ) begin
        if ( vld_cnt == 2'd2 )
            vld_cnt <= 2'b0 ;
        else
            vld_cnt <= vld_cnt + 2'b1 ;
    end
 end
 
 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        a_lock <= 8'b0 ;
    else if ( a_vld == 1'b1 )
        a_lock <= a ;
 end
 
 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        b_vld <= 1'b0 ;
    else if ( a_vld == 1'b1 && vld_cnt == 2'd1 )
        b_vld <= 1'b1 ;
    else if ( a_vld == 1'b1 && vld_cnt == 2'd2 )
        b_vld <= 1'b1 ;
    else
        b_vld <= 1'b0 ;
 end
 
 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        b <= 12'b0 ;
    else if ( a_vld == 1'b1 && vld_cnt == 2'd1 )
        b <= { a_lock, a[7:4] } ;
    else if ( a_vld == 1'b1 && vld_cnt == 2'd2 )
        b <= { a_lock[3:0], a} ;
    end
 
 endmodule

代码中的 vld_cnt 信号是表示 a_vld 有效了几个时钟周期，在 a_vld 为 1 时不停的加 1，等到 vld_cnt 为 2 的时候清零重新开始计数，然后我们通过 vld_cnt 和 a_vld=1 组合判断即可得到b_vld 信号。

代码中的 a_lock 表示是 a 信号在 a_vld 有效时的锁存数据，因为 b 信号的拼接是由 a 上一次的数据和当前 a 的数据进行拼接，因此需要产生一个 a 上一次的数据，就是a_lock。

三、设计验证

`timescale 1ns / 1ps

module TB();

reg sys_clk; 
reg sys_rst_n; 

reg [7:0] a ; 
reg a_vld ;
 
wire [15:0] b ;
wire b_vld ;

initial begin
    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    
    a = 8'b0; 
    a_vld = 1'b0; 
    
    #200
    sys_rst_n = 1'b1;
    
    #28
    a_vld = 1'b1; 
    a = 8'h55; 
    #20
    a = 8'haa;
    #20
    a = 8'hbb;
    #20
    a = 8'hcc;
    #20
    a = 8'hdd;
    #20
    a = 8'hee;
    #20
    a_vld = 1'b0; 
end
 
always #10 sys_clk = ~sys_clk;
 
 width_change_8to12 u_width_change_8to12 (
    .clk (sys_clk ),
    .rst_n (sys_rst_n),
    .a_vld (a_vld ),
    .a (a ),
    .b_vld (b_vld ),
    .b (b )
    );
 
 endmodule