北京信息科技大學FPGA復雜可編程邏輯器件指導書

1、復雜可編程邏輯器件及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計王曉飛 編著北京機械工業(yè)學院電子信息工程系二零零四年六月第六章 實驗內(nèi)容 本章提供了多個層次不同的實驗，實驗中應(yīng)注意掌握實現(xiàn)方法和技巧，并運用實驗裝置進行功能驗證。實驗一 熟悉軟硬件環(huán)境及使用一、 實驗?zāi)康? 學習MAX+plus 軟件的基本操作；2 學習原理圖和AHDL兩種設(shè)計輸入方法；3 初步掌握器件設(shè)計輸入、編譯、仿真、下載的過程；4 學習實驗裝置的使用方法。二、實驗要求 選用課上或書中的例題，按照第二章所述練習MAX+plus 軟件的使用：分別選用原理圖輸入方式和AHDL輸入方式進行電路功能設(shè)計；掌握CPLD的開發(fā)步驟設(shè)計輸入、設(shè)計實現(xiàn)、設(shè)計驗證；按照第

2、五章所述了解實驗裝置的工作原理和使用方法。實驗二 組合邏輯電路的設(shè)計一、 實驗?zāi)康? 設(shè)計8段譯碼器、兩路4位二進制比較器，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2 學習用AHDL語句進行邏輯描述。二、實驗要求 用AHDL中真值表的設(shè)計方法設(shè)計8段譯碼器、用布爾方程的設(shè)計方法設(shè)計兩路4位二進制比較器，對CPLD器件進行配置及下載來驗證自己的設(shè)計，驗證電路的外圍器件可選用按鍵輸入、指示燈輸出。8段譯碼器的邏輯功能輸入輸出in3.0dpgfedcba000111111100000110201011011301001111401100110501101101601111101700000111801111

3、111901101111A01110111B01111100C00111001D01011110E01111001F01110001兩路4位二進制比較器邏輯功能輸入輸出a3.0b3.0HLEa3.0> b3.0100a3.0< b3.0010a3.0= b3.0001實驗三 時序邏輯電路的設(shè)計一、 實驗?zāi)康?設(shè)計8位鎖存器、60分頻器，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2了解時序邏輯電路的設(shè)計特點。二、實驗要求 用原理圖輸入方式設(shè)計8位鎖存器、用AHDL輸入方式設(shè)計60分頻器。驗證電路的外圍器件可選用按鍵輸入、數(shù)碼管輸出。思考題：如何消除險象競爭？實驗四 數(shù)字電路系統(tǒng)實驗設(shè)計交通燈控

4、制器一、 實驗?zāi)康?設(shè)計一個簡易交通燈控制器，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2學習層次化設(shè)計方法。二、實驗要求位于十字路口的交通燈，在A方向和B方向各有紅、黃、綠三盞燈，亮滅順序如表所示，1表示亮，0表示滅，假設(shè)燈亮滅時間均為1S。本實驗設(shè)計輸入方法、驗證器件不限，最終需建立一個元件符號。A方向B方向紅燈黃燈綠燈紅燈黃燈綠燈100001100010010010010100001100010100010010100010思考題：如何實現(xiàn)各燈亮滅時間可調(diào)？實驗五 數(shù)字電路系統(tǒng)實驗設(shè)計一個方波信號輸出電路一、 實驗?zāi)康?設(shè)計一個方波信號產(chǎn)生電路，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2建立自頂向下的設(shè)計

5、思路。二、實驗要求設(shè)計一個占空比為20、周期為1S的方波信號，并用末位數(shù)碼管進行指示當方波信號為高電平時，數(shù)碼管顯示2；當方波信號為低電平時，數(shù)碼管顯示8。實驗六 數(shù)字電路系統(tǒng)實驗設(shè)計兩人擲骰子比較點大小的游戲電路一、 實驗?zāi)康?設(shè)計一個游戲電路并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2建立自頂向下的設(shè)計思路。二、實驗要求A、 B兩人玩擲骰子的游戲，當A的點數(shù)大于B的點數(shù)時，輸出H=“1”、L=E=“0”；當A的點數(shù)小于B的點數(shù)時，輸出L=“1”、H=E=“0”；當A的點數(shù)等于B的點數(shù)時，輸出E=“1”、H=L=“0”；并同時用兩個數(shù)碼管顯示A、B兩人的點數(shù)。實驗七 數(shù)字電路系統(tǒng)實驗設(shè)計一個CPU計數(shù)

6、比較系統(tǒng)一、 實驗?zāi)康?設(shè)計一個計數(shù)比較系統(tǒng)，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2建立自頂向下的設(shè)計思路。二、實驗要求cp1和cp2為兩個時鐘輸入端，keep=1時啟動2個8位計數(shù)器，keep=0時，計數(shù)器停止計數(shù)并保持當前計數(shù)值。/R=0時，CPU讀入數(shù)據(jù)。C=0時，CPU讀入A口值；C=1時，CPU讀入B口值。完成虛框以外的電路的設(shè)計。 思考題：1.若CPU的寫信號參與控制，并口的D70將成為雙向口，如何設(shè)計？ 2不讀不寫時如何使并口的D70呈高阻態(tài)？實驗八 數(shù)字電路系統(tǒng)實驗設(shè)計CPU接口電路一、 實驗?zāi)康?設(shè)計一個CPU接口電路，并在實驗裝置上驗證所設(shè)計的電路；2了解CPU接口電路的工作原

7、理；3掌握自頂向下的設(shè)計方法。二、實驗要求 如圖示一個微機系統(tǒng)接口電路芯片：D7D0與CPU數(shù)據(jù)線相連，A、RD、WR來自CPU控制線。當RD=0時，CPU通過D7D0讀入IN7IN0的數(shù)據(jù)；當WR=O時，CPU通過D7D0將數(shù)據(jù)寫入OUT7OUT0。當A=0時，輸出OUT7OUT0呈高阻態(tài)。設(shè)計框內(nèi)電路。 思考題：三態(tài)門、緩沖器、鎖存器的使用場合？第五章 CPLD實驗電路系統(tǒng)CPLD實驗電路系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：下載電路用于將計算機中的二進制位碼流文件下載至CPLD芯片中，以使CPLD按照所設(shè)計的電路功能工作；系統(tǒng)的輸入時鐘、鍵、A/D等；系統(tǒng)的輸出指示燈、數(shù)碼管、LCD、D/A等；CP

8、U接口。 51 下載電路52 CPLD管腳的分配 本節(jié)以FLEX10K10TC144為例，介紹CPLD與外圍其它元器件的連接，連接的元器件種類繁多，主要包括鍵自鎖按鍵、撥碼開關(guān)、脈沖按鍵、小鍵盤；指示燈紅黃綠發(fā)光二極管、點陣式顯示器；數(shù)碼管；LCD顯示器；聲報警蜂鳴器；時鐘輸入電路；單片機圖5.2.1 FLEX10K10TC144管腳連接圖53 開關(guān)輸入該電路包含8個帶指示燈的自鎖按鍵和16個撥碼開關(guān)。按鍵沒有按下時，指示燈處于熄滅狀態(tài)，表明輸入CPLD的電平為“0”，按鍵按下時，指示燈發(fā)光，表明輸入CPLD的電平為“1”。撥碼開關(guān)撥至“OFF”時，輸入CPLD的電平為“0”；撥碼開關(guān)撥至“O

9、N”時，輸入CPLD的電平為“1”。圖5.3.1 開關(guān)電路54 脈沖輸入 PS1PS4為四個帶指示燈的復位按鍵。PS1、PS2沒有按下時，對應(yīng)于按鍵的指示燈發(fā)光，輸入到CPLD中的PS1點和PS2點的電位由上拉電阻嵌位在高電平；當按鍵按下時，指示燈熄滅，CPLD中的PS1點和PS2點的電位為低電平；放開按鍵后，該點電位又變成低電平，至此為CPLD輸入了一個負脈沖。同樣的道理，使用PS3和PS4會為CPLD輸入正脈沖。DOWN、UP為不帶指示燈的復位按鍵，工作原理同上。圖5.4.1 脈沖輸入電路55 鍵盤 通常狀態(tài)下，CPLD回讀鍵盤的列線值為“111”。由CPLD依次掃描輸出C1C2C3C4=

10、“0111”、“1011”、“1101”、“1110”，當某行線為“0”，回讀某列線也為“0”時，即可知道此鍵的位置。比如CPLD輸出C1C2C3C4=“1011”、而回讀列線RK2為“0”時，表明鍵“2”按下。圖5.5.1 鍵盤電路56 指示燈電路CPLD輸出管腳通過電流驅(qū)動電路和限流電阻接指示燈的陽極端，這里指示燈的陰極端同樣受CPLD的控制，當然也可直接接地。圖5.6.1 指示燈電路57 8×8點陣式發(fā)光二極管該發(fā)光二極管陣列由8個紅色和8個綠色發(fā)光二極管組成，每個點由一紅一綠兩個發(fā)光二極管組成，兩者共陰極，由CPLD控制。當某點的紅綠發(fā)光二極管同時點亮時，該點就可呈黃色顯示。

11、圖5.7.1 8×8點陣式發(fā)光二極管電路58 蜂鳴器電路BUZZER與CPLD連接，當BUZZER為“1”時，蜂鳴器發(fā)聲。圖5.8.1 蜂鳴器電路59 CPU接口電路圖中給出了CPLD與8051單片機及ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器和AD7528數(shù)模轉(zhuǎn)換器的連接電路，通過該電路可實現(xiàn)模擬量的采集、運算、閉環(huán)控制等。 圖5.9.1 CPU接口電路510 數(shù)碼管顯示電路 圖5.10.1 數(shù)碼管顯示電路511 CPLD管腳分配表實驗裝置的面板如圖5.11.1所示，各輸入輸出器件與CPLD管腳連接如表5 11.1所示。實驗裝置面板圖表5.11.1 輸入輸出器件與CPLD管腳連接表外圍器件名稱外圍器

12、件符號CPLD管腳號說明紅色指示燈L17黃色指示燈L28綠色指示燈L39紅色指示燈L410黃色指示燈L511綠色指示燈L612紅色指示燈L713黃色指示燈L814綠色指示燈L917紅色指示燈L1018黃色指示燈L1119綠色指示燈L1220141L1L12的共陰極，高電平有效6個數(shù)碼管a23b26c27d28e29f30g31dp3274138A(DE1)3374138的輸出y0y5分別接數(shù)碼管的共陰極c1c6(c6為低位) B(DE2)36C(DE3)37蜂鳴器BUZZER46紅骰子指示燈L137L148L159L1610L1711L1812L1913綠骰子指示燈L2014L2117L221

13、8L2319L2420L2521L2622142L134L26的共陰極，高電平有效液晶顯示器EN130RS122RW128D0131D1132D2133D3135D4136D5137D6138D7140黃色時鐘指示燈L27(10MHZ)23L28(1MHZ)26L29(100KHZ)27L30(10KHZ)28L31(1KHZ)29L32(100HZ)30L33(10HZ)31L34(1HZ)3274138a3374138的輸出y6為L27L34的共陰極 b36c37UP鍵121按下時接低電平，放開時接高電平DOWN鍵125OSC5510MHZ晶振頻率8´8點陣式LED顯示器Row1

14、88 陽極公共端Row289Row390Row491Row592Row695Row796Row897CR198紅色陰極端，高電平有效綠色陰極端，高電平有效CR299CR3100CR4101CR5102CR6109CR7110CR8111CG1112CG2113CG3114CG4116CG5117CG6118CG7119CG81208051CPUP0.0131P0.1132P0.2133P0.3135P0.4136P0.5137P0.6138P0.7140P1.017P1.118P1.219P1.320P1.421P1.522P1.6141P1.7142P2.07P2.18P2.29P2.310P2.411P2.512P2.613P2.714P3.041P3.1144P3.298P3.399P3.4100P3.5101P3.6122P3.7128按鍵SW147按鍵按下時接高電平，放開時接低電平SW248SW349SW451SW559SW660SW762SW863撥碼開關(guān)SW964撥至ON接高電平SW1065SW1167SW1268SW1369SW1470SW1572SW1673SW1778SW1879SW1980SW2081SW2182SW2283SW2386SW2487脈沖按鍵PS154PS1、PS2按下接低電平，放開接高電平；PS3、PS4按下接高電平，