EDA技術(shù)項(xiàng)目教程-基于VHDL與FPGA 課件 項(xiàng)目1 數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

EDA項(xiàng)目教程

——基于VHDL與FPGA主編：于潤偉本章要點(diǎn)

可編程邏輯器件QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式QuartusⅡ軟件LPM宏單元庫項(xiàng)目2數(shù)據(jù)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1可編程邏輯器件20世紀(jì)70年代中期，出現(xiàn)了可編程邏輯陣列（ProgrammableLogicArray，PLA）器件20世紀(jì)70年代末期，出現(xiàn)了可編程陣列邏輯（ProgrammableArrayLogic，PAL）器件20世紀(jì)80年代初期，Lattice公司最先發(fā)明了通用陣列邏輯（GenericArrayLogic，GAL）20世紀(jì)80年代中期，Altera公司（已被Intel收購）推出了可擦除可編程邏輯器件（ErasablePLD，EPLD）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是Xilinx公司（已被AMD收購）在1985年首家推出的20世紀(jì)80年代末期，復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）由Lattice公司提出20世紀(jì)末期，出現(xiàn)了片上可編程系統(tǒng)SOPC器件1．早期PLD的編程工藝

早期PLD主要包括可編程邏輯陣列（PLA）、可編程陣列邏輯（PAL）和通用陣列邏輯（GAL）。采用熔絲編程工藝，其原理是在器件可以編程的互連節(jié)點(diǎn)上設(shè)置有相應(yīng)的熔絲。在編程時(shí)，對(duì)需要去除連接的節(jié)點(diǎn)上通以編程電流燒掉熔絲，而需要保持連接的節(jié)點(diǎn)則不通電保留熔絲，編程結(jié)束后器件內(nèi)熔絲的分布情況就決定了器件邏輯功能。

早期的PLD只允許編程一次，不利于設(shè)計(jì)調(diào)試與修改。但是，其抗干擾能力強(qiáng)、工作速度快，集成度與可靠性都很高，并且價(jià)格相對(duì)低廉。2.1.2編程工藝（1）EPROM：采用浮柵編程技術(shù)，在斷電時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，保存10年，其電荷損失不大于10％。擦除EPROM時(shí)，需要將器件放在紫外線或X射線下照射10~20分鐘。其缺點(diǎn)是擦除時(shí)間較長，且需要專門的器件。（2）EEPROM：采用隧道浮柵編程技術(shù)，其編程和擦除都是通過在MOS管的漏極和控制柵上，加一定幅度和極性的電脈沖實(shí)現(xiàn)，不需要紫外線照射。EEPROM的擦除和寫入都是逐點(diǎn)進(jìn)行的，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)先擦后寫，需要花費(fèi)一定的時(shí)間。與EPROM相比，具有擦除方便、速度快的優(yōu)點(diǎn)，因而受到用戶的歡迎。（3）FlashROM：采用沒有隧道的浮柵編程技術(shù)，柵極靠襯底較近，是E2PROM編程器件的改進(jìn)型。擦寫過程與EEPROM基本一致，但擦除不是逐點(diǎn)進(jìn)行，而是一次全部擦除，然后再逐點(diǎn)改寫，所以其速度比E2PROM編程器件還要快。2．CPLD的編程工藝（1）反熔絲（Antifuse）

反熔絲技術(shù)是通過擊穿介質(zhì)達(dá)到連通線路的目的。（2）靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）

每個(gè)連接點(diǎn)用一個(gè)靜態(tài)觸發(fā)器控制的開關(guān)代替熔絲，當(dāng)觸發(fā)器被置1時(shí)，開關(guān)接通；置0時(shí)，開關(guān)斷開。在系統(tǒng)不加電時(shí)，編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片外的E2PROM器件、FlashROM器件、硬盤或軟盤中。在系統(tǒng)上電時(shí)，把這些編程數(shù)據(jù)立即寫入到FPGA中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的動(dòng)態(tài)配置；系統(tǒng)掉電時(shí)，片內(nèi)的編程數(shù)據(jù)將全部丟失。3．FPGA的編程工藝1．邏輯資源量的選擇2．芯片速度的選擇3．器件功耗的選擇2.1.3器件的選用（1）FPGA是“時(shí)序豐富”型的，更適合于完成時(shí)序邏輯，CPLD是“邏輯豐富”型的，更適合于完成各種算法和組合邏輯，即FPGA更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)，而CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)。（2）FPGA主要通過改變內(nèi)部連線的布線來編程，CPLD通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程。又由于CPLD有專用連線連接宏單元，信號(hào)到每個(gè)宏單元的延時(shí)相同并且延時(shí)最短，所以CPLD比FPGA有較大的時(shí)間可預(yù)測(cè)性，可以預(yù)測(cè)管腳到管腳的最大延遲時(shí)間。（3）CPLD主要是基于E2PROM或FlashROM存儲(chǔ)器編程，其優(yōu)點(diǎn)是在系統(tǒng)斷電后，編程信息不丟失，且無需外部存儲(chǔ)器芯片，使用簡(jiǎn)單。FPGA大部分是基于SRAM編程，其優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行任意次數(shù)的編程，其缺點(diǎn)是編程信息需存放在外部存儲(chǔ)器上，每次上電時(shí)，需從器件的外部存儲(chǔ)器或計(jì)算機(jī)中將編程數(shù)據(jù)寫入SRAM。4．FPGA與CPLD應(yīng)用比較2.2.1半加器

只考慮兩個(gè)加數(shù)本身的相加，不考慮來自低位的進(jìn)位，這樣的加法運(yùn)算稱為半加，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算的邏輯電路稱為半加器。半加器可對(duì)兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，同時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，

設(shè)計(jì)一位二進(jìn)制半加器，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

設(shè)半加器的輸入端為A（被加數(shù)）和B（加數(shù)）；輸出端為S（和）和C（進(jìn)位）。2.2加法器的設(shè)計(jì)半加器的題目要求列出真值表

（1）在計(jì)算機(jī)的E盤，建立文件夾作為項(xiàng)目文件夾。（2）啟動(dòng)QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項(xiàng)目建立向?qū)В部梢詥螕舨藛蜦ile→New→NewQuartusIIProject，在新項(xiàng)目建立向?qū)?duì)話框中分別輸入項(xiàng)目文件夾、項(xiàng)目名和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名。項(xiàng)目名為HalfAdd、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名也為HalfAdd。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對(duì)話框的Filename中輸入HalfAdd.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板上使用的器件決定選擇的芯片系列和具體元件，本書選擇CycloneⅣE系列的EP4CE10E22C8芯片。（5）單擊【Finish】按鈕，關(guān)閉新項(xiàng)目建立向?qū)А?．建立項(xiàng)目（1）編輯。單擊File→New選項(xiàng)，選中BlockDiagram/SchematicFile，單擊【OK】按鈕，打開圖形編輯器窗口。（2）打開圖形文件編輯窗口，根據(jù)半加器的邏輯表達(dá)式，依次輸入1個(gè)XOR（異或門）、1個(gè)AND2（與門）、2個(gè)INPUT（輸入管腳）和2個(gè)OUTPUT（輸出管腳），按照邏輯關(guān)系將其連接。4．編輯與編譯（1）單擊File→New選項(xiàng)，選中UniversityProgramVWF選項(xiàng)，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間為1us；單擊Edit→GridSize…選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間周期為40ns。將波形文件以HalfAdd為名稱存入文件夾E:\EXAM221文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對(duì)話框。（4）單擊該對(duì)話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對(duì)話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點(diǎn)A、B和輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)S、C后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進(jìn)入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對(duì)話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標(biāo)間距后，選中輸入管腳A，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入40，單位選ns；選中輸入管腳B，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入80，單位選ns。（7）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項(xiàng)或工具欄中的

按鈕，啟動(dòng)仿真。仿真結(jié)果如圖所示（1）單擊標(biāo)題欄中的Assignments→PinPlanner選項(xiàng)，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標(biāo)，再單擊出現(xiàn)的彈出式菜單的下拉式箭頭，出現(xiàn)的下拉菜單列出所選用芯片的所有可用管腳，可根據(jù)所使用的實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號(hào)管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標(biāo)題欄中的Processing→StartCompilation選項(xiàng)，再次啟動(dòng)全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計(jì)的程序下載到可編程邏輯芯片中。6．編程（4）使用電纜將計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱連接，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。單擊Tools→Programmer選項(xiàng)，在編程窗口中進(jìn)行硬件配置，可選擇LPT1接口輸出的ByteBlasterMV、ByteBlasterⅡ或USB-Blaster編程器等硬件類型，編程方式選中JTAG編程方式。（5）單擊【AddFiles】按鈕，在彈出的對(duì)話框中，再打開output_files文件夾，單擊選中HalfAdd.sof文件，再單擊【Start】按鈕，即可開始對(duì)芯片編程。（6）如果建立項(xiàng)目時(shí)選定的芯片和實(shí)驗(yàn)箱適配板上的芯片不同，下載會(huì)失敗。這時(shí)可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對(duì)話框，單擊右上角的【Device】按鈕，重新選擇器件，重新編譯，重新鎖定管腳，再次編譯后即可重新下載。輸入信號(hào)為按鍵按下輸入信號(hào)為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起輸入信號(hào)為0，按鍵指示燈暗。輸出信號(hào)為1時(shí)，信號(hào)燈亮；輸出信號(hào)為0時(shí)，信號(hào)燈暗。測(cè)試結(jié)果如表2-2所示。7．電路測(cè)試測(cè)試結(jié)果完全正確的電路，可以生成符號(hào)元件，該元件可作為獨(dú)立的器件供其他設(shè)計(jì)項(xiàng)目調(diào)用?；氐綀D形編輯器窗口，單擊File→Create/Update→CreateSymbolFilesforCurrentFile選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中將此符號(hào)文件按默認(rèn)名稱（即HalfAdd）保存，擴(kuò)展名為.bsf。8．生成符號(hào)元件不僅考慮兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)的相加，而且還考慮來自低位進(jìn)位的運(yùn)算電路，稱為全加器。全加器有3個(gè)輸入端、2個(gè)輸出端。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計(jì)一位二進(jìn)制全加器，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

設(shè)全加器的輸入端為A（被加數(shù)）、B（加數(shù)）、Ci（低位進(jìn)位）；輸出端為S（和）和Co（進(jìn)位）。2.2.2全加器根據(jù)全加器的題目要求列出真值表（1）在計(jì)算機(jī)的E盤，建立文件夾作為項(xiàng)目文件夾。（2）啟動(dòng)QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項(xiàng)目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項(xiàng)目建立向?qū)?duì)話框中分別輸入項(xiàng)目文件夾、項(xiàng)目名和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名。項(xiàng)目名為ComAdd、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名也為ComAdd。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對(duì)話框的Filename中輸入ComAdd.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板上使用的器件決定選擇的芯片系列和具體元件，本書選擇CycloneⅣE系列的EP4CE10E22C8芯片。（5）單擊【Finish】按鈕，關(guān)閉新項(xiàng)目建立向?qū)А?．建立項(xiàng)目4．編輯與編譯（1）編輯。單擊File→New選項(xiàng)，選中BlockDiagram/SchematicFile，單擊【OK】按鈕，打開圖形編輯器窗口。（2）打開圖形文件編輯窗口，依次輸入2個(gè)XOR（異或門）、3個(gè)AND2（與門）、1個(gè)OR3（或門）、3個(gè)INPUT（輸入管腳）和2個(gè)OUTPUT（輸出管腳），按照邏輯關(guān)系將其連接（1）單擊File→New選項(xiàng)，選中UniversityProgramVWF選項(xiàng)，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間為1us；單擊Edit→GridSize…選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間周期為40ns。將波形文件以ComAdd為名稱存入文件夾E:\EXAM222文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對(duì)話框。（4）單擊該對(duì)話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對(duì)話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點(diǎn)A、B、Ci和輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)S、Co后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進(jìn)入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對(duì)話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標(biāo)間距后，選中輸入管腳A，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入80，單位選ns；選中輸入管腳B，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入160，單位選ns；選中輸入管腳Ci，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入320，單位選ns。（7）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項(xiàng)或工具欄中的

按鈕，啟動(dòng)仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標(biāo)間距，仿真結(jié)果如圖2-6所示1）單擊標(biāo)題欄中的Assignments→PinPlanner選項(xiàng)，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標(biāo)，再單擊出現(xiàn)的彈出式菜單的下拉式箭頭，出現(xiàn)的下拉菜單列出所選用芯片的所有可用管腳，可根據(jù)所使用的實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號(hào)管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標(biāo)題欄中的Processing→StartCompilation選項(xiàng)，再次啟動(dòng)全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計(jì)的程序下載到可編程邏輯芯片中。6．編程（4）使用電纜將計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱連接，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。單擊Tools→Programmer選項(xiàng)，在編程窗口中進(jìn)行硬件配置，可選擇USB-Blaster編程器等硬件類型，編程方式選中JTAG編程方式。（5）單擊【AddFiles】按鈕，在彈出的對(duì)話框中，再打開output_files文件夾，單擊選中ComAdd.sof文件，再單擊【Start】按鈕，即可開始對(duì)芯片編程。（6）如果建立項(xiàng)目時(shí)選定的芯片和實(shí)驗(yàn)箱適配板上的芯片不同，下載會(huì)失敗。這時(shí)可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對(duì)話框，單擊右上角的【Device】按鈕，重新選擇器件，重新編譯，重新鎖定管腳，再次編譯后即可重新下載。輸入信號(hào)為按鍵按下輸入信號(hào)為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起輸入信號(hào)為0，按鍵指示燈暗。輸出信號(hào)為1時(shí)，信號(hào)燈亮；輸出信號(hào)為0時(shí)，信號(hào)燈暗。7．電路測(cè)試測(cè)試結(jié)果完全正確的電路，可以生成符號(hào)元件，該元件可作為獨(dú)立的器件供其他設(shè)計(jì)項(xiàng)目調(diào)用?；氐綀D形編輯器窗口，單擊File→Create/Update→CreateSymbolFilesforCurrentFile選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中將此符號(hào)文件按默認(rèn)名稱（即ComAdd）保存，擴(kuò)展名為.bsf。8．生成符號(hào)元件四位加法器是可以對(duì)2個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，并考慮來自低位的進(jìn)位。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計(jì)四位加法器，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

四位加法器可以在半加器和全加器的基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用1個(gè)半加器和3個(gè)全加器分別運(yùn)算四位二進(jìn)制數(shù)的每個(gè)數(shù)位。其應(yīng)具備的管腳為輸入端：A[3..0]、B[3..0]；輸出端：S[3..0]、Bit（Bit=1代表進(jìn)位）。2.2.3四位加法器（1）在計(jì)算機(jī)的E盤，建立文件夾作為項(xiàng)目文件夾。（2）啟動(dòng)QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項(xiàng)目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項(xiàng)目建立向?qū)?duì)話框中分別輸入項(xiàng)目文件夾、項(xiàng)目名和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名，項(xiàng)目名為FCAdd、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名也為FCAdd。（3）采用圖形輸入方式，在添加文件對(duì)話框的Filename中輸入FCAdd.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。3．建立項(xiàng)目（4）由于需要使用先前生成的半加器元件HalfAdd.bsf和全加器元件ComAdd.bsf，可單擊添加文件對(duì)話框的Filename右側(cè)的按鈕，找到HalfAdd.bdf，單擊【Add】按鈕添加該文件；再找到的ComAdd.bdf，再次單擊【Add】按鈕，添加該文件。（5）在器件設(shè)置對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板上使用的器件決定選擇的芯片系列和具體元件，本書選擇CycloneⅣE系列的EP4CE10E22C8芯片。（6）單擊【Finish】按鈕，關(guān)閉新項(xiàng)目建立向?qū)А＃?）編輯。單擊File→New選項(xiàng)，選中BlockDiagram/SchematicFile，單擊【OK】按鈕，打開圖形編輯器窗口。（2）雙擊圖形文件編輯窗口的編輯區(qū)，打開元件輸入對(duì)話框。單擊元件輸入對(duì)話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對(duì)話框選擇HalfAdd.bsf文件；再選擇ComAdd.bsf文件，并復(fù)制成3個(gè)，再依次輸入2個(gè)INPUT（輸入管腳）和2個(gè)OUTPUT（輸出管腳）。4．編輯與編譯（3）命名節(jié)點(diǎn)線：選中與總線連接的節(jié)點(diǎn)線（在線上單擊），即可輸入節(jié)點(diǎn)線名稱，但需要注意連接信號(hào)輸入、輸出端的節(jié)點(diǎn)線，其名稱要與相應(yīng)管腳的名稱對(duì)應(yīng)。例如與管腳A[3..0]相連的4條節(jié)點(diǎn)線分別命名為A[0]、A[1]、A[2]、A[3]，不同的節(jié)點(diǎn)線名代表總線的數(shù)據(jù)分配關(guān)系。還要注意輸入的節(jié)點(diǎn)線名稱的顏色與節(jié)點(diǎn)線的顏色必須相同，不同就是沒有選中，需要重新做。（4）更改連線類型：選中連線單擊右鍵，在彈出的下拉菜單中選擇BusLine（總線）或NodeLine（節(jié)點(diǎn)線）選項(xiàng)。傳送兩個(gè)以上信號(hào)時(shí)，必須選用總線。（1）單擊File→New選項(xiàng)，選中UniversityProgramVWF選項(xiàng)，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間為1us；單擊Edit→GridSize…選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間周期為40ns。將波形文件以HalfAdd為名稱存入文件夾當(dāng)前文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對(duì)話框。（4）單擊該對(duì)話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對(duì)話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點(diǎn)A、B和輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)S、Bit后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進(jìn)入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對(duì)話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標(biāo)間距后，選中輸入管腳A，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入80，單位選ns；選中輸入管腳B，單擊波形編輯按鈕

，并在Startvalue輸入框內(nèi)輸入“0101”，在Countevery輸入框內(nèi)輸入80，單位選ns。（7）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項(xiàng)或工具欄中的

按鈕，啟動(dòng)仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標(biāo)間距，仿真結(jié)果如圖所示（1）單擊Assignments→AssignmentsEditor選項(xiàng)，出現(xiàn)配置編輯器窗口，單擊Category輸入框右側(cè)的下拉按鈕，從中選擇Pin選項(xiàng)，根據(jù)使用實(shí)驗(yàn)箱的具體情況鎖定管腳。注意：多位管腳需要按位鎖定，例如管腳A需要分別鎖定A[3]、A[2]、A[1]、A[0]，不要鎖定A。管腳B、S與A的處理相同。（2）再次編譯成功后，就可以將鎖定的管腳信息加入到設(shè)計(jì)文件中。（3）使用電纜將計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱連接，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。單擊Tools→Programmer選項(xiàng)，編程方式選中JTAG編程方式。（4）在編程窗口中，單擊選中FCAdd.sof文件，再單擊【Start】按鈕，即可開始對(duì)芯片編程。6．編程輸入信號(hào)A（例如1001）和B（例如0101），輸出信號(hào)S應(yīng)該為1110、輸出信號(hào)Bit應(yīng)該為0（表示沒有進(jìn)位）；改變A和B，再觀察輸出信號(hào)S和Bit。7．電路測(cè)試LPM（LibraryParameterizedModules）即參數(shù)化的宏功能模塊庫。應(yīng)用這些功能模塊庫可以大大提高IC設(shè)計(jì)的效率。調(diào)用LPM庫函數(shù)非常方便，既可以在圖形輸入法中直接調(diào)用，也可以在HDL源文件中調(diào)用。2.3.1乘法器的設(shè)計(jì)1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)3位二進(jìn)制數(shù)和4位二進(jìn)制數(shù)乘法運(yùn)算的電路，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

使用LPM庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)。2.3LPM宏單元庫（1）在計(jì)算機(jī)的E盤，建立文件夾作為項(xiàng)目文件夾。（2）啟動(dòng)QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項(xiàng)目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項(xiàng)目建立向?qū)?duì)話框中分別輸入項(xiàng)目文件夾、項(xiàng)目名和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名。項(xiàng)目名為EXMULT、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名也為EXMULT。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對(duì)話框的Filename中輸入EXMULT.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板上使用的器件決定選擇的芯片系列和具體元件，本書選擇CycloneⅣE系列的EP4CE10E22C8芯片。（5）單擊【Finish】按鈕，關(guān)閉新項(xiàng)目建立向?qū)А?．建立項(xiàng)目（1）雙擊圖形編輯窗口右側(cè)的Library→BasicFunctions→Arithmetic→LPM_MULT，打開保存IP變量對(duì)話框，如圖所示。4．生成乘法運(yùn)算模塊（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對(duì)話框中按照題意，被乘數(shù)是3位、乘數(shù)是4位，乘積是7位。如圖所示。（3）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_2對(duì)話框，從上到下依次為乘數(shù)是否設(shè)置為常數(shù)（以及常數(shù)值）、乘運(yùn)算的類型（無符號(hào)或有符號(hào)）、乘運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方式（缺省、部分器件自帶的乘法電路、邏輯單元）。（4）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_3對(duì)話框，上一條為是否使用流水線功能，如使用可以需要設(shè)置時(shí)鐘、復(fù)位端和使能端；下一條為優(yōu)化方式，可選（缺省、面積和速度）。（5）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_4對(duì)話框，確定仿真模式。（6）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_5對(duì)話框，確定生成文件的類型。（7）單擊【Finish】按鈕。彈出QuartusⅡIPFiles對(duì)話框。5．編輯與編譯（1）編輯。單擊File→New選項(xiàng)，選中BlockDiagram/SchematicFile，單擊【OK】按鈕，打開圖形編輯器窗口。（2）雙擊圖形文件編輯窗口的編輯區(qū)，打開元件輸入對(duì)話框。單擊元件輸入對(duì)話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對(duì)話框選擇MULT.bsf文件，再依次輸入2個(gè)INPUT（輸入管腳）和1個(gè)OUTPUT（輸出管腳）。（1）單擊File→New選項(xiàng)，選中UniversityProgramVWF選項(xiàng)，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間為2us；單擊Edit→GridSize…選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間周期為100ns。將波形文件以EXMULT為名稱存入文件夾當(dāng)前文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對(duì)話框。（4）單擊該對(duì)話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對(duì)話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有端口管腳名。（5）選中輸入端口節(jié)點(diǎn)A、B和輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)S后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進(jìn)入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對(duì)話框，再次單擊【OK】按鈕。6．波形仿真（6）調(diào)整波形坐標(biāo)間距后，選中輸入管腳A，在管腳名右側(cè)的B000（取值）上雙擊，打開管腳參數(shù)對(duì)話框，將其設(shè)置為UnsignedDecimal（無符號(hào)十進(jìn)制）（7）單擊【OK】按鈕。選中輸入管腳A，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入100，單位選ns；選中輸入管腳B，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入200，單位選ns；選中輸出管腳S，在管腳名右側(cè)的B0000000（取值）上雙擊，打開管腳參數(shù)對(duì)話框，將其設(shè)置為UnsignedDecimal（無符號(hào)十進(jìn)制）。

（8）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項(xiàng)或工具欄中的

按鈕，啟動(dòng)仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標(biāo)間距。（1）單擊標(biāo)題欄中的Assignments→PinPlanner選項(xiàng)，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標(biāo)，再單擊出現(xiàn)的彈出式菜單的下拉式箭頭，出現(xiàn)的下拉菜單列出所選用芯片的所有可用管腳，可根據(jù)所使用的實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號(hào)管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標(biāo)題欄中的Processing→StartCompilation選項(xiàng)，再次啟動(dòng)全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計(jì)的程序下載到可編程邏輯芯片中。7．編程（4）使用電纜將計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱連接，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。單擊Tools→Programmer選項(xiàng)，在編程窗口中進(jìn)行硬件配置，可選擇LPT1接口輸出的ByteBlasterMV、ByteBlasterⅡ或USB-Blaster編程器等硬件類型，編程方式選中JTAG編程方式。（5）單擊【AddFiles】按鈕，在彈出的對(duì)話框中，再打開output_files文件夾，單擊選中EXMULT.sof文件，再單擊【Start】按鈕，即可開始對(duì)芯片編程。（6）如果建立項(xiàng)目時(shí)選定的芯片和實(shí)驗(yàn)箱適配板上的芯片不同，下載會(huì)失敗。這時(shí)可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對(duì)話框，單擊右上角的【Device】按鈕，重新選擇器件，重新編譯，重新鎖定管腳，再次編譯后即可重新下載。按照二進(jìn)制乘法運(yùn)算規(guī)則驗(yàn)證電路。例如輸入信號(hào)A為“101”（十進(jìn)制數(shù)字5）、輸入信號(hào)B為“1011”（十進(jìn)制數(shù)字11），輸出信號(hào)應(yīng)該為“0110111”（十進(jìn)制數(shù)字55）。測(cè)試時(shí)注意二進(jìn)制數(shù)字的高、低位的排列順序。8．電路測(cè)試1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制常數(shù)（數(shù)值=3）的除法運(yùn)算的電路，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

使用LPM庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)。3．建立項(xiàng)目（1）在計(jì)算機(jī)的E盤，建立文件夾作為項(xiàng)目文件夾。2.3.2除法器的設(shè)計(jì)（2）啟動(dòng)QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項(xiàng)目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項(xiàng)目建立向?qū)?duì)話框中分別輸入項(xiàng)目文件夾、項(xiàng)目名和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名。項(xiàng)目名為EXMULT、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體名也為EXDID。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對(duì)話框的Filename中輸入EXDID.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板上使用的器件決定選擇的芯片系列和具體元件，本書選擇CycloneⅣE系列的EP4CE10E22C8芯片。（5）單擊【Finish】按鈕，關(guān)閉新項(xiàng)目建立向?qū)?。?）雙擊圖形編輯窗口右側(cè)的Library→BasicFunctions→Arithmetic→LPM_DIVIDE，打開保存IP變量對(duì)話框。4．生成除法運(yùn)算模塊（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對(duì)話框中按照題意，被除數(shù)是4位、除數(shù)是2位，商是4位、余數(shù)是2位。（3）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_2對(duì)話框，上一條為是否使用流水線功能，如使用可以需要設(shè)置時(shí)鐘、復(fù)位端和使能端；左下一條為優(yōu)化方式，可選（缺省、面積和速度）、右下一條為是否總是返回正的余數(shù)。（4）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_3對(duì)話框，確定仿真模式。（5）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_4對(duì)話框，確定生成文件的類型，單擊單選按鈕DIV.bsf。（6）單擊【Finish】按鈕。彈出QuartusⅡIPFiles對(duì)話框。5．生成常數(shù)模塊（1）雙擊圖形編輯窗口右側(cè)的Library→BasicFunctions→Miscellaneous→LPM_CONSTANT，打開保存IP變量對(duì)話框.（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對(duì)話框中按照題意，除數(shù)是十進(jìn)制數(shù)字3，數(shù)據(jù)寬帶2bits。（1）編輯。單擊File→New選項(xiàng)，選中BlockDiagram/SchematicFile，單擊【OK】按鈕，打開圖形編輯器窗口。（2）雙擊圖形文件編輯窗口的編輯區(qū)，打開元件輸入對(duì)話框。單擊元件輸入對(duì)話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對(duì)話框選擇DIV.bsf；同樣添加CON3.bsf文件；再依次輸入1個(gè)INPUT（輸入管腳）和2個(gè)OUTPUT（輸出管腳）。6．編輯與編譯（1）單擊File→New選項(xiàng)，選中UniversityProgramVWF選項(xiàng)，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間為2us；單擊Edit→GridSize…選項(xiàng)，設(shè)定仿真時(shí)間周期為100ns。將波形文件以EXDID為名稱存入文件夾E:\EXAM232文件夾下。（3）雙擊波形編輯