EDA技術(shù)與應(yīng)用：第7章 EDA技術(shù)的應(yīng)用

1、2022-3-171第7章 EDA技術(shù)的應(yīng)用 本章概要：本章通過用硬件描述語言本章概要：本章通過用硬件描述語言VHDL和和Verilog HDL實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步介紹實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步介紹EDA技術(shù)在組合邏輯、時(shí)技術(shù)在組合邏輯、時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)以及在測(cè)量儀器、通信系統(tǒng)和自動(dòng)控制等技序邏輯電路設(shè)計(jì)以及在測(cè)量儀器、通信系統(tǒng)和自動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。本章列出的全部術(shù)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。本章列出的全部HDL源程序均通過源程序均通過MAX+plusII或或ModelSim工具軟件的編譯。工具軟件的編譯。知識(shí)要點(diǎn)：知識(shí)要點(diǎn)：（1）VHDL的組合邏輯、時(shí)序邏輯以及綜合應(yīng)用實(shí)例。的組合邏輯、時(shí)序邏輯

2、以及綜合應(yīng)用實(shí)例。（2）Verilog HDL的組合邏輯、時(shí)序邏輯以及綜合應(yīng)用的實(shí)的組合邏輯、時(shí)序邏輯以及綜合應(yīng)用的實(shí)例。例。（3）VHDL和和Verilog HDL實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例。 2022-3-1727.1 7.1 組合邏輯電路設(shè)計(jì)應(yīng)用組合邏輯電路設(shè)計(jì)應(yīng)用7.1.1 8 8位乘法器的設(shè)計(jì)位乘法器的設(shè)計(jì)8 8位乘法器的元件符號(hào)如圖位乘法器的元件符號(hào)如圖8.18.1所示，所示，a7.0a7.0和和b7.0b7.0是被乘數(shù)和乘數(shù)輸入端，是被乘數(shù)和乘數(shù)輸入端，q15.0q15.0是乘積是乘積輸出端。輸出端。 圖圖8.1 8位乘法器元件符號(hào)位乘法器元件符號(hào)2022-3-173

3、用用VHDL描述的描述的8位乘法器源程序如下：位乘法器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mul ISPORT(a,b: IN integer range 0 to 255;q: OUT integer range 0 to 65535); END mul; ARCHITECTURE one OF mul IS BEGIN q S S S S S S S S S S S S S S S S S = B0000; END CASE;END PROCESS ;END struc;2022-3-179Verilog HDL描述

4、如下描述如下:Module hcoder(x,y,s);input3:0 x,y;output3:0s;reg3:0s;alwaysbegincase (x,y) 8b11101110:s=0;8b11101101:s=1;8b11101011:s=2;8b11100111:s=3;8b11011110:s=4;2022-3-17108b11011101: s=5;8b11011011: s=6;8b11010111: s=7;8b10111110: s=8;8b10111101: s=9;8b10111011: s=10;8b10110111: s=11;8b01111110: s=12;8

5、b01111101: s=13;8b01111011: s=14;8b01110111: s=15; default :s=0;endcase endendmodule2022-3-17117.1.3 譯碼器設(shè)計(jì)譯碼器設(shè)計(jì)3線線-8線譯碼器的元件符號(hào)如圖線譯碼器的元件符號(hào)如圖8.6所示，所示，ENA是譯碼是譯碼器的使能控制輸入端，當(dāng)器的使能控制輸入端，當(dāng)ENA=1時(shí)，譯碼器不能工作，時(shí)，譯碼器不能工作，8線線輸出輸出Y7.0=11111111（譯碼器的輸出有效電平為低電平）；（譯碼器的輸出有效電平為低電平）；當(dāng)當(dāng)ENA=0時(shí)，譯碼器工作。時(shí)，譯碼器工作。C、B、A是是3線數(shù)據(jù)輸入端，譯線數(shù)據(jù)輸

6、入端，譯碼器處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)碼器處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)CBA=000時(shí)，時(shí)，Y7.0=11111110（即（即Y0=0）；當(dāng)）；當(dāng)CBA=001時(shí)，時(shí)，Y7.0=11111101（即（即Y1=0）；依此類推。）；依此類推。 圖圖8.6 3線線-8線譯碼器的元件符號(hào)線譯碼器的元件符號(hào)2022-3-1712用用VHDL描述的源程序如下：描述的源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Decoder ISPORT(a,b,c,ena:IN BIT; y:OUT BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); END Decoder; A

7、RCHITECTURE one OF Decoder ISBEGIN PROCESS(a,b,c,ena)VARIABLE cba:BIT_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGINcba:=(c & b & a); 2022-3-1713IF (ena=1) THEN y y y y y y y y y NULL;END CASE; END IF; END PROCESS; END one; 2022-3-1714用用Verilog HDL描述的描述的3線線-8線譯碼器源程序如下：線譯碼器源程序如下：moduledecoder(a,b,c,ena,y);inputa,

8、b,c,ena;output7:0 y;reg7:0y;alwaysbeginif (ena=1) y = b11111111; elsecase (c,b,a) b000: y= b11111110;b001: y= b11111101;2022-3-1715b010: y= b11111011;b011: y= b11110111;b100: y= b11101111;b101: y= b11011111;b110: y= b10111111;b111: y= b01111111; default : y= b11111111; endcaseendendmodule 2022-3-171

9、67.1.4 16選1數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)16選選1數(shù)據(jù)選擇器的元件符號(hào)如圖數(shù)據(jù)選擇器的元件符號(hào)如圖8.8所示，所示，ENA是使是使能控制輸入端，當(dāng)能控制輸入端，當(dāng)ENA=1時(shí)，電路不能工作，輸出時(shí)，電路不能工作，輸出Y=0；ENA=0時(shí)，電路處于工作狀態(tài)。時(shí)，電路處于工作狀態(tài)。A15.0是數(shù)據(jù)輸入端，是數(shù)據(jù)輸入端，S3、S2，S1和和S0是數(shù)據(jù)選擇控制端，當(dāng)電路處于工作狀態(tài)時(shí)是數(shù)據(jù)選擇控制端，當(dāng)電路處于工作狀態(tài)時(shí)（ENA=0），若），若S3S2S1S0=0000，則輸入，則輸入A0被選中，輸出被選中，輸出Y=A0；若；若S3S2S1S0=0001，則輸入，則輸入A1被選中，輸出被選中

10、，輸出Y=A1；依此類推。；依此類推。 圖圖8.8 16選選1數(shù)據(jù)選擇器元件符號(hào)數(shù)據(jù)選擇器元件符號(hào)2022-3-1717用用VHDL描述的描述的16選選1數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器源程序如下：源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mux16_1 ISPORT (s0,s1,s2,s3,ena: IN STD_LOGIC; a: IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); y: OUT STD_LOGIC);END mux16_1;ARCHITECTURE one OF mux16_1 ISSIGNAL s

11、: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN s=s0&s1&s2&s3; -將將s0,s1,s2和和s3并為并為s2022-3-1718PROCESS(s0,s1,s2,s3,ena) BEGINIF ena=1 THEN y y y y y y y y y y y y y y y y y y b THEN fa = 1;fb = 0;fe = 0;ELSIF a b THEN fa = 0;fb = 1;fe = 0;ELSIF a = b THEN fa = 0;fb = 0;fe b) begin fa = 1; fb = 0; f

12、e = 0; endelse if (a b) begin fa = 0; fb = 1; fe = 0; endelse if (a = b) begin fa = 0; fb = 0; fe = 1; end endendmodule 2022-3-17267.1.6 ROM的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)對(duì)于容量不大的對(duì)于容量不大的ROM，可以用，可以用VHDL的的case語句來實(shí)現(xiàn)。下語句來實(shí)現(xiàn)。下面是用面是用case語句實(shí)現(xiàn)語句實(shí)現(xiàn)88位位ROM的源程序的源程序 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY from_rom ISPORT(addr :

13、ININTEGER RANGE 0 TO 7;ena: IN STD_LOGIC;q: OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END from_rom;ARCHITECTURE a OF from_rom IS BEGIN 2022-3-1727PROCESS (ena,addr) BEGINIF (ena=1) THEN q q q q q q q q q=01001000;END CASE;2022-3-1728END IF; END PROCESS ;END a; 由由VHDL源代碼生成的源代碼生成的88位位ROM的元件符號(hào)如圖的元件符號(hào)如圖8.9所示，所示，其

14、中其中ADDR3.0是地址輸入端，是地址輸入端，ENA是使能控制輸入端，當(dāng)是使能控制輸入端，當(dāng)ENA=1時(shí)，時(shí)，ROM不能工作，輸出不能工作，輸出Q7.0為高阻態(tài)，為高阻態(tài)，ENA=0時(shí)，時(shí)，ROM工作，其輸出的數(shù)據(jù)由輸入地址決定。工作，其輸出的數(shù)據(jù)由輸入地址決定。圖圖8.9 88位位ROM的元件符號(hào)的元件符號(hào)2022-3-1729用用Veilog HDL實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)88位位ROM的源程序如下：的源程序如下：module from_rom(addr,ena,q); input 2:0 addr;input ena; output 7:0 q;reg 7:0 q;always (ena or add

15、r)beginif (ena)q = bzzzzzzzz;elsecase (addr) 0:q = b01000001;1:q = b01000010;2022-3-17302:q = b01000011;3:q = b01000100;4:q = b01000101;5:q = b01000110;6:q = b01000111;7:q = b01001000; default :q = bzzzzzzzz; endcase endendmodule 2022-3-1731用例化一個(gè)指定工藝的用例化一個(gè)指定工藝的ROM來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)ROM的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)2022-3-1732設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：

16、1.從強(qiáng)函數(shù)庫中調(diào)出從強(qiáng)函數(shù)庫中調(diào)出lpm_rom2. 設(shè)置設(shè)置lpm_rom的參數(shù)的參數(shù)常見的設(shè)置有：常見的設(shè)置有：地址位寬地址位寬LPM_WIDTHAD數(shù)據(jù)位寬數(shù)據(jù)位寬LPM_WIDTH以及是否使用某些功能引腳以及是否使用某些功能引腳3.設(shè)置設(shè)置lpm_rom存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)新建一個(gè)文本文件，按下頁的格式（或參考幫助文新建一個(gè)文本文件，按下頁的格式（或參考幫助文檔）編寫數(shù)據(jù)文件，并存為檔）編寫數(shù)據(jù)文件，并存為.mif文件。存完后將文件。存完后將lpm_file參數(shù)設(shè)為該文件。參數(shù)設(shè)為該文件。2022-3-1733.mif文件DEPTH = 16;% Memory depth and wid

17、th are required%WIDTH = 8;% Enter a decimal number%ADDRESS_RADIX = HEX; % Address and value radixes are optional %DATA_RADIX = HEX;% Enter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless% otherwise specified, radixes = HEX%- Specify values for addresses, which can be single address or rangeCONTENTBEGIN0.F:3F;% Range-

18、Every address from 0 to F = 3F %6:F;% Single address-Address 6 = F%8:F E 5;% Range starting from specific address- % % Addr8 = F, Addr9 = E, AddrA = 5%END ;2022-3-1734注：若需要修改ROM的數(shù)據(jù)，除了通過編輯.mif文件外，也可以通過仿真窗口的菜單來修改。(要求事先通過編譯才能使用此菜單)2022-3-17357.2 時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)應(yīng)用 7.2.1 JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)觸發(fā)器設(shè)計(jì)JK觸發(fā)器的元件符號(hào)如圖觸發(fā)器的元件

19、符號(hào)如圖8.14所示，其中所示，其中J、K是數(shù)據(jù)輸入端，是數(shù)據(jù)輸入端，CLR是復(fù)位控制輸入端，當(dāng)是復(fù)位控制輸入端，當(dāng)CLR=0時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)被置為時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)被置為0態(tài)；態(tài)；CLKCLK是時(shí)鐘輸入端；是時(shí)鐘輸入端；Q Q和和QNQN是觸發(fā)器的兩個(gè)互補(bǔ)輸出端。是觸發(fā)器的兩個(gè)互補(bǔ)輸出端。 圖圖8.14 JK觸發(fā)器的元件符號(hào)觸發(fā)器的元件符號(hào)2022-3-1736用用VHDL描述的描述的JK觸發(fā)器源程序如下：觸發(fā)器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY myjkff ISPORT(j,k,clr:IN STD_LOGIC; c

20、lk:IN STD_LOGIC; q,qn:BUFFER STD_LOGIC);END myjkff;ARCHITECTURE one OF myjkff ISBEGINPROCESS(j,k,clr,clk) VARIABLE jk:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN2022-3-1737jk:=(j & k); IF clr=0 THEN q=0;qn q =q; qn q = 0; qn q = 1;qn q = NOT q;qn NULL;END CASE ; END IF;END PROCESS;END one; 2022-3-1738用用

21、Verilog HDL描述的描述的JK觸發(fā)器源程序如下：觸發(fā)器源程序如下：module myjkff(j,k,clr,clk,q,qn); input j,k,clr,clk;output q,qn; reg q,qn;always (negedge clr or negedge clk) beginif (clr)begin q = 0; qn = 1; endelse case (j,k)b00: begin q = q; qn = qn; endb01: begin q = 0; qn = 1; end2022-3-1739b10: begin q = 1; qn = 0; endb11

22、: begin q = q; qn = qn; enddefault begin q = 0; qn = 1;end endcase endendmodule 2022-3-17407.2.2 8D鎖存器設(shè)計(jì)鎖存器設(shè)計(jì)具有三態(tài)輸出的具有三態(tài)輸出的8D鎖存器元件符號(hào)如圖鎖存器元件符號(hào)如圖8.16所示。所示。CLR是復(fù)是復(fù)位控制輸入端，當(dāng)位控制輸入端，當(dāng)CLR=0時(shí)，時(shí)，8位數(shù)據(jù)輸出位數(shù)據(jù)輸出Q7.0=00000000。ENA是使能控制輸入端，當(dāng)是使能控制輸入端，當(dāng)ENA=1時(shí)，時(shí)，鎖存器處于工作狀態(tài)，輸出鎖存器處于工作狀態(tài)，輸出Q7.0D7.0；ENA=0時(shí)，鎖時(shí)，鎖存器的狀態(tài)保持不變。存器的狀

23、態(tài)保持不變。OE是三態(tài)輸出控制端，當(dāng)是三態(tài)輸出控制端，當(dāng)OE=1時(shí)，時(shí)，輸出為高阻態(tài)輸出為高阻態(tài)；OE=0時(shí)，鎖存器為正常輸出狀態(tài)。時(shí)，鎖存器為正常輸出狀態(tài)。 圖圖8.16 8D鎖存器元件符號(hào)鎖存器元件符號(hào)2022-3-1741用用VHDL描述的描述的8D鎖存器源程序如下：鎖存器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY latch8 ISPORT(clr,clk,ena,oe:IN STD_LOGIC; d:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); q:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(7

24、 DOWNTO 0);END latch8;ARCHITECTURE one OF latch8 ISSIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN 2022-3-1742u1:PROCESS(clk,clr,ena,oe) BEGINIF clr=0 THEN q_temp = 00000000; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THENIF (ena=1) THEN q_temp = d;END IF; END IF; IF oe=1 THEN q = ZZZZZZZZ; ELSE q = q_temp; END IF;

25、 END PROCESS u1;END one; 2022-3-1743用用Verilog HDL描述三態(tài)輸出描述三態(tài)輸出8D鎖存器的源程序如下：鎖存器的源程序如下：module latch8v(clk,clr,ena,oe,q,d); input 7:0 d; input clk,clr,ena,oe; output 7:0 q; reg 7:0 q,q_temp;always (posedge clk)beginif (clr)q_temp = 0;else if (ena) q_temp = d;else q_temp = q; if (oe) q = 8bzzzzzzzz; else

26、q = q_temp; endendmodule 2022-3-17447.2.3 8位雙向移位寄存器設(shè)計(jì)位雙向移位寄存器設(shè)計(jì)8位雙向移位寄存器電路的元件符號(hào)如圖位雙向移位寄存器電路的元件符號(hào)如圖8.18所示，其中所示，其中CLR是復(fù)位控制輸入端是復(fù)位控制輸入端；LOD是預(yù)置控制輸入端是預(yù)置控制輸入端；S是移位方向控是移位方向控制輸入端，當(dāng)制輸入端，當(dāng)S=1時(shí)，是右移移位寄存器，時(shí)，是右移移位寄存器，S=0時(shí)，是左移移時(shí)，是左移移位寄存器；位寄存器；DIR是右移串入輸入信號(hào)；是右移串入輸入信號(hào)；DIL是左移串入輸入信是左移串入輸入信號(hào)。號(hào)。 圖圖8.18 8位雙向移位寄存器元件符號(hào)位雙向移位寄

27、存器元件符號(hào)2022-3-1745用用VHDL描述的描述的8位雙向移位寄存器源程序如下：位雙向移位寄存器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY rlshift ISPORT(clr,lod,clk,s,dir,dil:IN BIT; d:IN BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); q:BUFFER BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0);END rlshift;ARCHITECTURE one OF rlshift IS SIGNAL q_temp:BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN

28、PROCESS(clr,clk,lod,s,dir,dil) BEGIN2022-3-1746IF clr=0 THEN q_temp = 00000000;ELSIF clkEVENT AND clk=1 THENIF (lod=1) THEN q_temp = d; ELSIF (S=1) THEN FOR i IN 7 downto 1 LOOP -實(shí)現(xiàn)右移操作實(shí)現(xiàn)右移操作 q_temp(i-1) = q(i); END LOOP ; q_temp(7) = dir;ELSE 2022-3-1747 FOR i IN 0 TO 6 LOOP -實(shí)現(xiàn)左移操作實(shí)現(xiàn)左移操作 q_temp(i+

29、1) = q(i); END LOOP ; q_temp(0) = dil;END IF; END IF; q 1;-實(shí)現(xiàn)右移操作實(shí)現(xiàn)右移操作 q7 = dir; end2022-3-1749else begin q = q 1;-實(shí)現(xiàn)左移操作實(shí)現(xiàn)左移操作 q0 = dil; end endendmodule 2022-3-17507.2.4 8位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)8位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器的元件符號(hào)如圖位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器的元件符號(hào)如圖8.20所示，所示，CLR是復(fù)位是復(fù)位控制輸入端控制輸入端；ENA是使能控制輸入端；是使能控制輸入端；LOAD是預(yù)置控制輸入是預(yù)置控制輸入端端；D7.0是是8位并行

30、數(shù)據(jù)輸入端；位并行數(shù)據(jù)輸入端；UPDOWN是加減控制輸是加減控制輸入端，當(dāng)入端，當(dāng)UPDOWN=0時(shí)，計(jì)數(shù)器作加法操作，時(shí)，計(jì)數(shù)器作加法操作，UPDOWN=1時(shí)，計(jì)數(shù)器作減法操作；時(shí)，計(jì)數(shù)器作減法操作；COUT是進(jìn)是進(jìn)/借位輸出端。借位輸出端。 圖圖8.20 8位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器元件符號(hào)位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器元件符號(hào)2022-3-1751用用VHDL描述的描述的8位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器源程序如下：位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY updowncnt8 ISPORT(clr,clk,ena,load,updown

31、:IN STD_LOGIC; d:IN INTEGER RANGE 0 TO 255;cout:OUT STD_LOGIC;q:BUFFER INTEGER RANGE 0 TO 255);END updowncnt8;ARCHITECTURE one OF updowncnt8 ISBEGIN PROCESS(clk,ena,clr,d,load,updown)2022-3-1752BEGIN IF CLR=0 THENq = 0; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THENIF load = 1 THEN q = d;ELSIF ena=1 THEN IF updown = 0 THEN q = q+1;IF q = 254 THEN COUT = 1;else cout=0;END IF; ELSE q = q-1;IF q = 1THEN C