4 位元 LIFO 堆疊緩衝器

題目說明

請設計一個名為 LIFObuffer 的同步式後進先出緩衝器。

此緩衝器的資料寬度為 4 位元，最多可儲存 4 筆資料，並支援：

• Push：將資料壓入堆疊
• Pop：從堆疊頂端取出資料
• Reset：清除堆疊
• Enable：控制是否執行操作
• Full 與 Empty 狀態判斷

LIFO 的完整名稱為：

Last-In-First-Out

表示最後寫入的資料會最先被讀出。

例如，依序寫入：

2, 4, 6

之後依序讀出時，結果應為：

6, 4, 2

模組介面

內部結構

模組使用下列儲存結構：

reg [3:0] stack_mem [0:3];

此陣列包含 4 個元素，每個元素可儲存 4 位元資料。

使用堆疊指標 SP 表示目前堆疊頂端的位置。

本題採用以下指標定義：

因此：

EMPTY = 1 when SP == 4
FULL  = 1 when SP == 0

重置操作

在 Clk 上升沿，當：

EN = 1
Rst = 1

時，必須清除整個堆疊：

SP      = 4
dataOut = 0
stack_mem[0] = 0
stack_mem[1] = 0
stack_mem[2] = 0
stack_mem[3] = 0

重置是同步操作，只有在 Clk 上升沿執行。

依照本題規格，只有 EN = 1 時才會執行重置或其他堆疊操作。

寫入操作

當：

EN   = 1
Rst  = 0
RW   = 0
FULL = 0

時，執行 Push 操作。

由於空堆疊的 SP 初始值為 4，因此寫入時必須先將 SP 減一，再將資料寫入新位置。

概念上等價於：

SP = SP - 1
stack_mem[SP] = dataIn

例如，重置後：

SP = 4

第一次寫入資料 A：

SP = 3
stack_mem[3] = A

第二次寫入資料 B：

SP = 2
stack_mem[2] = B

此時堆疊頂端為 B。

當 FULL = 1 時，寫入要求必須被忽略。

讀取操作

當：

EN    = 1
Rst   = 0
RW    = 1
EMPTY = 0

時，執行 Pop 操作。

讀取目前 SP 指向的堆疊頂端資料：

dataOut = stack_mem[SP]

接著清除該記憶體位置，並將 SP 加一：

stack_mem[SP] = 0
SP = SP + 1

當 EMPTY = 1 時，讀取要求必須被忽略，dataOut 保持原值。

EN 行為

當：

EN = 0

時：

• 不執行重置
• 不執行 Push
• 不執行 Pop
• SP 保持不變
• stack_mem 保持不變
• dataOut 保持不變

FULL 與 EMPTY

狀態旗標由堆疊指標組合產生：

EMPTY = (SP == 4)
FULL  = (SP == 0)

重置後：

EMPTY = 1
FULL  = 0

寫入四筆資料後：

EMPTY = 0
FULL  = 1

讀出所有資料後：

EMPTY = 1
FULL  = 0

設計要求

• 模組名稱必須為 LIFObuffer。
• 資料寬度固定為 4 位元。
• 堆疊深度固定為 4。
• 必須使用同步時序邏輯。
• Rst 為高電位有效同步重置。
• 只有 EN = 1 時才執行重置、讀取或寫入。
• RW = 0 表示 Push。
• RW = 1 表示 Pop。
• 堆疊已滿時不可繼續寫入。
• 堆疊為空時不可繼續讀取。
• Pop 後必須清除原本的記憶體位置。
• 資料必須符合後進先出的順序。

程式設計模板

module LIFObuffer (
    input      [3:0] dataIn,
    input            RW,
    input            EN,
    input            Rst,
    input            Clk,

    output           EMPTY,
    output           FULL,
    output reg [3:0] dataOut
);

    // Write your code here

endmodule