EDA技術(shù)項目教程-基于VHDL與FPGA 課件全套 于潤偉 項目1-7 數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計與實現(xiàn)-數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實訓

EDA項目教程

——基于VHDL與FPGA本章要點

EDA技術(shù)的內(nèi)涵

QuartusⅡ軟件的使用數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計項目1數(shù)據(jù)比較器的設(shè)計與實現(xiàn)1.1.1發(fā)展歷史

1．計算機輔助設(shè)計（CAD）

1.1認識EDA技術(shù)

這一階段是EDA發(fā)展的初級階段，其主要特征是利用計算機輔助進行電路原理圖的編輯、PCB（印刷電路板）布線。CAD工具可以減少設(shè)計人員繁瑣重復的勞動，但自動化程度低，需要人工干預整個設(shè)計過程。CAD工具大多以計算機為工作平臺，易學易用，現(xiàn)仍有很多這類專用軟件應用于中小規(guī)模的電子系統(tǒng)工程設(shè)計。1.1.1發(fā)展歷史2．計算機輔助工程設(shè)計（CAE）

這一階段的主要特征是以邏輯模擬、定時分析、故障仿真、自動布局布線為核心，重點解決電路設(shè)計的功能檢測等問題，使工程師能在產(chǎn)品制作之前預知產(chǎn)品的功能與性能。CAE工具已經(jīng)具備了自動布局布線、電路的邏輯仿真、電路分析和測試等功能。與CAD技術(shù)相比，CAE技術(shù)除了具有圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，以實現(xiàn)工程設(shè)計。1.1認識EDA技術(shù)1.1.1發(fā)展歷史3．電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（ESDA）

這一階段采用一種新的設(shè)計概念，即自頂而下（Top-to-Down）的設(shè)計程式和并行工程的設(shè)計方法，設(shè)計者的精力主要集中在所要設(shè)計電子產(chǎn)品的準確定義上，而由EDA系統(tǒng)去完成電子產(chǎn)品的系統(tǒng)級至物理級的設(shè)計，開始實現(xiàn)“概念驅(qū)動工程”的夢想。電子設(shè)計工程師們擺脫了大量的輔助設(shè)計工作，而把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，從而極大地提高了設(shè)計效率，使設(shè)計更復雜的電路和系統(tǒng)成為可能，并且使產(chǎn)品的研制周期大大縮短。

1.1認識EDA技術(shù)（1）在一個可編程芯片上完成系統(tǒng)級的集成已成為可能，即可編程片上系統(tǒng)（SOPC）。（2）計算機硬件平臺性能大幅度提高，為復雜的SOC（系統(tǒng)級芯片）設(shè)計提供了物理基礎(chǔ)。（3）EDA工具和IP（知識產(chǎn)權(quán)核）應用更為廣泛。（4）高性能的EDA工具軟件得到長足的發(fā)展，其自動化和智能化程度不斷提高，為嵌入系統(tǒng)設(shè)計提供了功能強大的開發(fā)環(huán)境。總的趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面：

1．采用自頂向下設(shè)計方案

2．應用硬件描述語言（HDL）

3．能夠自動完成仿真和測試

4．開發(fā)技術(shù)的標準化和規(guī)范化

5．對工程技術(shù)人員的硬件知識和經(jīng)驗要求低1.1.2EDA技術(shù)的特點1．硬件描述語言（HDL）

硬件描述語言是各種描述方法中最能體現(xiàn)EDA優(yōu)越性的描述方法。所謂硬件描述語言就是一個描述工具，其描述的對象是設(shè)計電路系統(tǒng)的邏輯功能、實現(xiàn)該功能的算法、選用的電路結(jié)構(gòu)以及其他各種約束條件等。通常要求硬件描述語言既能描述系統(tǒng)的行為，又能描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

目前主要使用Verilog-HDL和VHDL兩種硬件描述語言。1.1.3EDA技術(shù)的內(nèi)涵2．可編程邏輯器件：是實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主要載體?？删幊踢壿嬈骷≒LD）是一種可以由用戶編程來實現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件，不僅速度快、集成度高，能夠完成用戶定義的邏輯功能外，還可以加密和重新定義編程，其允許編程次數(shù)可多達上萬次。使用可編程邏輯器件可大大簡化硬件系統(tǒng)、降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。目前，PLD主要分為FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和CPLD（復雜可編程邏輯器件）兩大類。1.1.3EDA技術(shù)的內(nèi)涵3．EDA工具軟件：用于在計算機上仿真、調(diào)試設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。EDA技術(shù)的核心是利用計算機軟件完成電路設(shè)計的全程自動化，即自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線、仿真，直至對于特定目標芯片（可編程邏輯器件）的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。1.1.3EDA技術(shù)的內(nèi)涵1.1.4EDA技術(shù)的設(shè)計流程1．設(shè)計準備2．設(shè)計輸入3．設(shè)計處理4．設(shè)計校驗5．器件編程1．組合邏輯電路的設(shè)計（1）分析設(shè)計要求，列出真值表。根據(jù)題意設(shè)定輸入變量和輸出函數(shù)，然后將輸入變量以自然數(shù)二進制順序的各種取值組合排列，根據(jù)題意，推導輸出函數(shù)的狀態(tài)，列出真值表。（2）根據(jù)真值表寫出輸出函數(shù)的邏輯表達式。將真值表中輸出函數(shù)取值為1所對應輸入變量的各個最小項進行邏輯相加后，便得到輸出邏輯函數(shù)表達式。（3）對輸出邏輯函數(shù)表達式進行化簡。用公式法對邏輯函數(shù)表達式進行化簡，得到邏輯函數(shù)的最簡與非式（或最簡或非式）。（4）畫出邏輯電路圖?？筛鶕?jù)最簡輸出邏輯函數(shù)式，也可以根據(jù)要求將輸出邏輯函數(shù)變換為與非表達式、或非表達式、與或非表達式來畫邏輯電路圖。

按照同比較器的定義，設(shè)輸入的兩個1位二進制數(shù)分別為A、B，用Y表示比較結(jié)果。若兩數(shù)相等，輸出1；兩數(shù)不等輸出0。

表1-1同比較器真值表1.2同比較器的設(shè)計輸入端輸出端ABY0010101001111.2.2項目建立1．項目準備

在計算機的E盤建立E:\EDAFILE\Example1_1文件夾作為項目文件夾。注意：文件夾名不能有漢字，也不要全是數(shù)字。2．啟動軟件3．打開項目建立向?qū)马椖拷⑾驅(qū)υ捒?．添加文件6．選擇器件7．選擇EDA工具

8．摘要1.建立圖形輸入文件：單擊菜單File→New選項1.2.3編輯文件編輯窗口輸入元件及管腳同比較器電路

單擊圖形編輯窗口File→Save菜單，不要做任何改動，直接以默認的SameComp為文件名，保存在當前文件夾E:\EDAFILE\Example1_1下。

如果發(fā)現(xiàn)保存的文件名或文件夾不是這樣，可單擊File→SaveAs...菜單，在彈出的對話框中進行修改或選擇文件夾。注意：文件名與項目名必須相同且在同一個文件夾下。1.2.4編譯

單擊菜單欄中的Processing→StartCompilation選項或工具欄的

按鈕，啟動編譯。1.3大小比較器的設(shè)計

不但能夠比較兩個數(shù)字是否相等，還能比較兩數(shù)大小的比較器稱為大小比較器。大小比較器包含同比較器，可以代替同比較器。

設(shè)輸入的兩個二進制數(shù)分別為A、B，用Y1、Y2和Y3表示比較結(jié)果。

若A>B，則Y1=1、Y2=0、Y3=0；

若A=B，則Y1=0、Y2=1、Y3=0；

若A<B，則Y1=0、Y2=0、Y3=1。大小比較器邏輯圖（1）仿真前必須建立波形文件。單擊File→New選項，打開文件選擇窗口，展開Verification/DebuggingFiles選項卡，選擇其中的UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕。2．仿真（2）為了使仿真時間設(shè)置在一個合理的時間區(qū)域上，單擊波形編輯器的菜單Edit→SetEndTime選項，在彈出窗口中的Time輸入框輸入1，單位選us，即整個仿真域的時間設(shè)定為1微秒；單擊波形編輯器的菜單Edit→GridSize…選項，在彈出窗口中的Period輸入框輸入100，單位選ns，即設(shè)定仿真周期為100納秒。結(jié)束設(shè)置后，要將波形文件存盤。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，會打開插入管腳或總線對話框。（5）編輯輸入波形1.3.3時序波形仿真1.44位比較器的設(shè)計1.4.174LS85芯片4位比較器邏輯圖4位比較器仿真波形仿真分析能夠?qū)⒃O(shè)計電路的邏輯功能用波形的形式表現(xiàn)出來，檢驗電路功能。通過仿真分析后，就可以使用QuartusⅡ軟件的編程器把設(shè)計下載到可編程邏輯器件中，進一步驗證電路功能并實現(xiàn)電路。1.管腳鎖定（1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口1.4.3器件編程（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）按照同樣的方法，將其他管腳一一鎖定。（4）關(guān)閉配置編輯器。（5）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。在編譯成功后，QuartusⅡ軟件將自動生成編程數(shù)據(jù)文件，如．pof（專用配置器件）和．sof（通過連接計算機上的下載電纜直接對FPGA進行配置）等編程數(shù)據(jù)文件，這些文件可以被編程器使用，對器件進行編程。編程的方式可以是JTAG方式或AS方式，JTAG方式將程序下載到可編程邏輯器件；AS方式將程序下載到存儲器（使用．pof文件）。（1）如果使用ByteBlasterMV編程器，可將ByteBlasterMV下載電纜接到計算機的并行端口；如果使用MasterBlaster編程器，可將MasterBlaster下載電纜連接到計算機的串行端口。編程器下載電纜連接后，要打開EDA實驗箱或開發(fā)板的電源。2．編程（2）如果使用USB-Blaster編程器，需要安裝USB驅(qū)動程序。將USB-Blaster編程器一端連接到計算機的USB端口，另一端連接到EDA實驗箱或開發(fā)板的JTAG接口，打開EDA實驗箱或開發(fā)板的電源。這時會彈出一個USB驅(qū)動程序?qū)υ捒?，根?jù)對話框的提示，選擇用戶手動搜索驅(qū)動程序，如果QuartusⅡ安裝在D盤的ALTERA文件夾下，則驅(qū)動程序的路徑為D:\ALTERA\QUARTUS\DRIVERS\USB-BLASTER。（3）單擊Tools→Programmer選項（4）單擊圖中的【HardwareSetup】按鈕（5）單擊Availablehardwareitems列表框，雙擊USB-Blaster[USB-0]，然后單擊【Close】按鈕，關(guān)閉硬件配置對話框。（6）在編程窗口中，單擊Mode下拉框右端的下拉按鈕，選中JTAG編程方式。JTAG編程方式支持在系統(tǒng)編程，可對FPGA、DSP等器件進行編程，是通用的編程方式。另外，ActiveSerialProgramming模式可對FLASH存儲器進行編程。（7）單擊【AddFiles】按鈕，在彈出的對話框中，再打開output_files文件夾，選中.sof文件。根據(jù)實驗箱或開發(fā)板的實際情況，測試電路。本書使用的開發(fā)板：輸入信號為按鍵按下時，輸入信號為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起時，輸入信號為0，按鍵指示燈暗。輸出信號為1時，信號燈亮；輸出信號為0時，信號燈暗。3．電路測試1．題目說明

設(shè)計一個比較兩個4位二進制數(shù)是否相同的同比較器。要求：設(shè)計出4位同比較器的原理圖，建立項目，編輯原理圖文件，完成編譯和波形仿真后，依據(jù)開發(fā)板或?qū)嶒炏涞木唧w情況鎖定管腳，再次編譯成功后，下載到實驗箱驗證4位同比較器的功能。1.5實訓：四位同比較器的設(shè)計與實現(xiàn)

兩個4位二進制數(shù)的同比較器，可以在一位二進制數(shù)同比較器的基礎(chǔ)上完成。

如果兩個4位二進制數(shù)的每一數(shù)據(jù)位都相同，則兩個數(shù)據(jù)相同；

只要有一個數(shù)據(jù)位不相同，則兩個數(shù)據(jù)不同。

使用四個同比較器比較4位二進制數(shù)的每一位，得到四個輸出結(jié)果，再接入一個4輸入端的與門，與門的輸出端就是4位同比較器的輸出端。2．設(shè)計提示設(shè)輸入的兩個4位二進制數(shù)分別為A[3..0]、B[3..0]，用Y表示比較結(jié)果。若兩數(shù)相同，輸出1；兩數(shù)不同輸出0。4位同比較器的原理圖如圖所示。（4）命名節(jié)點線：選中與總線連接的節(jié)點線（在線上單擊），即可輸入節(jié)點線名稱，但需要注意連接信號輸入、輸出端的節(jié)點線，其名稱要與相應管腳的名稱對應。例如與管腳A[3..0]相連的4條節(jié)點線分別命名為A[3]、A[2]、A[1]、A[0]，不同的節(jié)點線名代表總線的數(shù)據(jù)分配關(guān)系。還要注意輸入的節(jié)點線名稱的顏色與節(jié)點線的顏色必須相同，不同就是沒有選中，需要重新做。按照邏輯關(guān)系將其連接，按照總線和節(jié)點的規(guī)則命名管腳和連接導線的名稱后，可不用連接。（1）單擊File→New選項，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為2us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為100ns。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對話框。（4）單擊該對話框的[NodeFind]按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。（5）選中輸入端口節(jié)點和輸出信號節(jié)點后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊OK按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊OK按鈕。（6）調(diào)整波形坐標間距后，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100，單位選ns；選中輸入管腳B，單擊波形編輯按鈕

，并在Period輸入框內(nèi)輸入200，單位選ns。4．波形仿真（7）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項或工具欄中的

按鈕，啟動仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標間距。（1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。注意：多位的總線管腳需要按位鎖定，例如管腳A需要分別鎖定A[3]、A[2]、A[1]、A[0]，不要鎖定A?？偩€管腳B與A的處理相同。（3）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。（4）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，再單擊【Start】按鈕，即可開始對芯片編程。5．編程輸入信號為按鍵按下輸入信號為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起輸入信號為0，按鍵指示燈暗。輸出信號為1時，信號燈亮；輸出信號為0時，信號燈暗。例如輸入信號A=“1001”、B=“1001”時，輸出信號Y為高電平；輸入信號A=“1001”、B=“1010”時，輸出信號Y為低電平。6．電路測試EDA項目教程

——基于VHDL與FPGA本章要點

可編程邏輯器件QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式QuartusⅡ軟件LPM宏單元庫項目2數(shù)據(jù)運算器的設(shè)計與實現(xiàn)2.1可編程邏輯器件20世紀70年代中期，出現(xiàn)了可編程邏輯陣列（ProgrammableLogicArray，PLA）器件20世紀70年代末期，出現(xiàn)了可編程陣列邏輯（ProgrammableArrayLogic，PAL）器件20世紀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80年代末期，復雜可編程邏輯器件（CPLD）由Lattice公司提出20世紀末期，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)點上設(shè)置有相應的熔絲。在編程時，對需要去除連接的節(jié)點上通以編程電流燒掉熔絲，而需要保持連接的節(jié)點則不通電保留熔絲，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)計調(diào)試與修改。但是，其抗干擾能力強、工作速度快，集成度與可靠性都很高，并且價格相對低廉。2.1.2編程工藝（1）EPROM：采用浮柵編程技術(shù)，在斷電時存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，保存10年，其電荷損失不大于10％。擦除EPROM時，需要將器件放在紫外線或X射線下照射10~20分鐘。其缺點是擦除時間較長，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現(xiàn)，不需要紫外線照射。EEPROM的擦除和寫入都是逐點進行的，對每一個點先擦后寫，需要花費一定的時間。與EPROM相比，具有擦除方便、速度快的優(yōu)點，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編程器件的改進型。擦寫過程與EEPROM基本一致，但擦除不是逐點進行，而是一次全部擦除，然后再逐點改寫，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)達到連通線路的目的。（2）靜態(tài)存儲器（SRAM）

每個連接點用一個靜態(tài)觸發(fā)器控制的開關(guān)代替熔絲，當觸發(fā)器被置1時，開關(guān)接通；置0時，開關(guān)斷開。在系統(tǒng)不加電時，編程數(shù)據(jù)存儲在片外的E2PROM器件、FlashROM器件、硬盤或軟盤中。在系統(tǒng)上電時，把這些編程數(shù)據(jù)立即寫入到FPGA中，從而實現(xiàn)對FPGA的動態(tài)配置；系統(tǒng)掉電時，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“時序豐富”型的，更適合于完成時序邏輯，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，信號到每個宏單元的延時相同并且延時最短，所以CPLD比FPGA有較大的時間可預測性，可以預測管腳到管腳的最大延遲時間。（3）CPLD主要是基于E2PROM或FlashROM存儲器編程，其優(yōu)點是在系統(tǒng)斷電后，編程信息不丟失，且無需外部存儲器芯片，使用簡單。FPGA大部分是基于SRAM編程，其優(yōu)點是可進行任意次數(shù)的編程，其缺點是編程信息需存放在外部存儲器上，每次上電時，需從器件的外部存儲器或計算機中將編程數(shù)據(jù)寫入SRAM。4．FPGA與CPLD應用比較2.2.1半加器

只考慮兩個加數(shù)本身的相加，不考慮來自低位的進位，這樣的加法運算稱為半加，實現(xiàn)這種運算的邏輯電路稱為半加器。半加器可對兩個一位二進制數(shù)進行加法運算，同時產(chǎn)生進位。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，

設(shè)計一位二進制半加器，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．電路設(shè)計

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（進位）。2.2加法器的設(shè)計半加器的題目要求列出真值表

（1）在計算機的E盤，建立文件夾作為項目文件夾。（2）啟動QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項目建立向?qū)υ捒蛑蟹謩e輸入項目文件夾、項目名和頂層設(shè)計實體名。項目名為HalfAdd、頂層設(shè)計實體名也為HalfAdd。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對話框的Filename中輸入HalfAdd.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對話框中，根據(jù)實驗箱或開發(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)閉新項目建立向?qū)А?．建立項目（1）編輯。單擊File→New選項，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)半加器的邏輯表達式，依次輸入1個XOR（異或門）、1個AND2（與門）、2個INPUT（輸入管腳）和2個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，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為1us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為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話框。（4）單擊該對話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點A、B和輸出信號節(jié)點S、C后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標間距后，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選項或工具欄中的

按鈕，啟動仿真。仿真結(jié)果如圖所示（1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。6．編程（4）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，在編程窗口中進行硬件配置，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，即可開始對芯片編程。（6）如果建立項目時選定的芯片和實驗箱適配板上的芯片不同，下載會失敗。這時可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對話框，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。輸入信號為按鍵按下輸入信號為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起輸入信號為0，按鍵指示燈暗。輸出信號為1時，信號燈亮；輸出信號為0時，信號燈暗。測試結(jié)果如表2-2所示。7．電路測試測試結(jié)果完全正確的電路，可以生成符號元件，該元件可作為獨立的器件供其他設(shè)計項目調(diào)用。回到圖形編輯器窗口，單擊File→Create/Update→CreateSymbolFilesforCurrentFile選項，在彈出的對話框中將此符號文件按默認名稱（即HalfAdd）保存，擴展名為.bsf。8．生成符號元件不僅考慮兩個一位二進制數(shù)的相加，而且還考慮來自低位進位的運算電路，稱為全加器。全加器有3個輸入端、2個輸出端。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計一位二進制全加器，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．電路設(shè)計

設(shè)全加器的輸入端為A（被加數(shù)）、B（加數(shù)）、Ci（低位進位）；輸出端為S（和）和Co（進位）。2.2.2全加器根據(jù)全加器的題目要求列出真值表（1）在計算機的E盤，建立文件夾作為項目文件夾。（2）啟動QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項目建立向?qū)υ捒蛑蟹謩e輸入項目文件夾、項目名和頂層設(shè)計實體名。項目名為ComAdd、頂層設(shè)計實體名也為ComAdd。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對話框的Filename中輸入ComAdd.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對話框中，根據(jù)實驗箱或開發(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)閉新項目建立向?qū)А?．建立項目4．編輯與編譯（1）編輯。單擊File→New選項，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XOR（異或門）、3個AND2（與門）、1個OR3（或門）、3個INPUT（輸入管腳）和2個OUTPUT（輸出管腳），按照邏輯關(guān)系將其連接（1）單擊File→New選項，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為1us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為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話框。（4）單擊該對話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點A、B、Ci和輸出信號節(jié)點S、Co后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標間距后，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選項或工具欄中的

按鈕，啟動仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標間距，仿真結(jié)果如圖2-6所示1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。6．編程（4）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，在編程窗口中進行硬件配置，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，即可開始對芯片編程。（6）如果建立項目時選定的芯片和實驗箱適配板上的芯片不同，下載會失敗。這時可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對話框，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。輸入信號為按鍵按下輸入信號為1，按鍵指示燈亮；按鍵抬起輸入信號為0，按鍵指示燈暗。輸出信號為1時，信號燈亮；輸出信號為0時，信號燈暗。7．電路測試測試結(jié)果完全正確的電路，可以生成符號元件，該元件可作為獨立的器件供其他設(shè)計項目調(diào)用?；氐綀D形編輯器窗口，單擊File→Create/Update→CreateSymbolFilesforCurrentFile選項，在彈出的對話框中將此符號文件按默認名稱（即ComAdd）保存，擴展名為.bsf。8．生成符號元件四位加法器是可以對2個四位二進制數(shù)進行加法運算，并考慮來自低位的進位。1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計四位加法器，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．電路設(shè)計

四位加法器可以在半加器和全加器的基礎(chǔ)上進行，利用1個半加器和3個全加器分別運算四位二進制數(shù)的每個數(shù)位。其應具備的管腳為輸入端：A[3..0]、B[3..0]；輸出端：S[3..0]、Bit（Bit=1代表進位）。2.2.3四位加法器（1）在計算機的E盤，建立文件夾作為項目文件夾。（2）啟動QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項目建立向?qū)υ捒蛑蟹謩e輸入項目文件夾、項目名和頂層設(shè)計實體名，項目名為FCAdd、頂層設(shè)計實體名也為FCAdd。（3）采用圖形輸入方式，在添加文件對話框的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)置對話框中，根據(jù)實驗箱或開發(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)閉新項目建立向?qū)А＃?）編輯。單擊File→New選項，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)，打開元件輸入對話框。單擊元件輸入對話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對話框選擇HalfAdd.bsf文件；再選擇ComAdd.bsf文件，并復制成3個，再依次輸入2個INPUT（輸入管腳）和2個OUTPUT（輸出管腳）。4．編輯與編譯（3）命名節(jié)點線：選中與總線連接的節(jié)點線（在線上單擊），即可輸入節(jié)點線名稱，但需要注意連接信號輸入、輸出端的節(jié)點線，其名稱要與相應管腳的名稱對應。例如與管腳A[3..0]相連的4條節(jié)點線分別命名為A[0]、A[1]、A[2]、A[3]，不同的節(jié)點線名代表總線的數(shù)據(jù)分配關(guān)系。還要注意輸入的節(jié)點線名稱的顏色與節(jié)點線的顏色必須相同，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)點線）選項。傳送兩個以上信號時，必須選用總線。（1）單擊File→New選項，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為1us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為40ns。將波形文件以HalfAdd為名稱存入文件夾當前文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對話框。（4）單擊該對話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。5．波形仿真（5）選中輸入端口節(jié)點A、B和輸出信號節(jié)點S、Bit后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊【OK】按鈕。（6）調(diào)整波形坐標間距后，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選項或工具欄中的

按鈕，啟動仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標間距，仿真結(jié)果如圖所示（1）單擊Assignments→AssignmentsEditor選項，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，根據(jù)使用實驗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)計文件中。（3）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，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，即可開始對芯片編程。6．編程輸入信號A（例如1001）和B（例如0101），輸出信號S應該為1110、輸出信號Bit應該為0（表示沒有進位）；改變A和B，再觀察輸出信號S和Bit。7．電路測試LPM（LibraryParameterizedModules）即參數(shù)化的宏功能模塊庫。應用這些功能模塊庫可以大大提高IC設(shè)計的效率。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1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計一個能實現(xiàn)3位二進制數(shù)和4位二進制數(shù)乘法運算的電路，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．電路設(shè)計

使用LPM庫函數(shù)實現(xiàn)。2.3LPM宏單元庫（1）在計算機的E盤，建立文件夾作為項目文件夾。（2）啟動QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項目建立向?qū)υ捒蛑蟹謩e輸入項目文件夾、項目名和頂層設(shè)計實體名。項目名為EXMULT、頂層設(shè)計實體名也為EXMULT。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對話框的Filename中輸入EXMULT.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對話框中，根據(jù)實驗箱或開發(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)閉新項目建立向?qū)А?．建立項目（1）雙擊圖形編輯窗口右側(cè)的Library→BasicFunctions→Arithmetic→LPM_MULT，打開保存IP變量對話框，如圖所示。4．生成乘法運算模塊（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對話框中按照題意，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）、乘運算的類型（無符號或有符號）、乘運算的實現(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)置時鐘、復位端和使能端；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對話框，確定仿真模式。（6）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_5對話框，確定生成文件的類型。（7）單擊【Finish】按鈕。彈出QuartusⅡIPFiles對話框。5．編輯與編譯（1）編輯。單擊File→New選項，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)，打開元件輸入對話框。單擊元件輸入對話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對話框選擇MULT.bsf文件，再依次輸入2個INPUT（輸入管腳）和1個OUTPUT（輸出管腳）。（1）單擊File→New選項，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為2us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為100ns。將波形文件以EXMULT為名稱存入文件夾當前文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對話框。（4）單擊該對話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。（5）選中輸入端口節(jié)點A、B和輸出信號節(jié)點S后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊【OK】按鈕。6．波形仿真（6）調(diào)整波形坐標間距后，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)對話框，將其設(shè)置為UnsignedDecimal（無符號十進制）（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)對話框，將其設(shè)置為UnsignedDecimal（無符號十進制）。

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

按鈕，啟動仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標間距。（1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。7．編程（4）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，在編程窗口中進行硬件配置，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，即可開始對芯片編程。（6）如果建立項目時選定的芯片和實驗箱適配板上的芯片不同，下載會失敗。這時可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對話框，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。按照二進制乘法運算規(guī)則驗證電路。例如輸入信號A為“101”（十進制數(shù)字5）、輸入信號B為“1011”（十進制數(shù)字11），輸出信號應該為“0110111”（十進制數(shù)字55）。測試時注意二進制數(shù)字的高、低位的排列順序。8．電路測試1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式，設(shè)計一個能實現(xiàn)4位二進制數(shù)和十進制常數(shù)（數(shù)值=3）的除法運算的電路，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．電路設(shè)計

使用LPM庫函數(shù)實現(xiàn)。3．建立項目（1）在計算機的E盤，建立文件夾作為項目文件夾。2.3.2除法器的設(shè)計（2）啟動QuartusⅡ，單擊【CreateaNewProject】按鈕打開新項目建立向?qū)?，也可以單擊菜單File→New→NewQuartusIIProject，在新項目建立向?qū)υ捒蛑蟹謩e輸入項目文件夾、項目名和頂層設(shè)計實體名。項目名為EXMULT、頂層設(shè)計實體名也為EXDID。（3）由于采用圖形輸入方式，在添加文件對話框的Filename中輸入EXDID.bdf，然后單擊【Add】按鈕，添加該文件。（4）在器件設(shè)置對話框中，根據(jù)實驗箱或開發(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變量對話框。4．生成除法運算模塊（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對話框中按照題意，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)置時鐘、復位端和使能端；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對話框，確定仿真模式。（5）單擊【Next】按鈕。彈出MegaWizardPlug_4對話框，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變量對話框.（2）單擊【OK】按鈕。在彈出的MegaWizardPlug_1對話框中按照題意，除數(shù)是十進制數(shù)字3，數(shù)據(jù)寬帶2bits。（1）編輯。單擊File→New選項，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)，打開元件輸入對話框。單擊元件輸入對話框中Name輸入框右側(cè)按鈕，在彈出的“打開”對話框選擇DIV.bsf；同樣添加CON3.bsf文件；再依次輸入1個INPUT（輸入管腳）和2個OUTPUT（輸出管腳）。6．編輯與編譯（1）單擊File→New選項，選中UniversityProgramVWF選項，單擊【OK】按鈕，建立波形輸入文件。（2）單擊Edit→SetEndTime選項，設(shè)定仿真時間為2us；單擊Edit→GridSize…選項，設(shè)定仿真時間周期為100ns。將波形文件以EXDID為名稱存入文件夾E:\EXAM232文件夾下。（3）雙擊波形編輯器“Name”下的空白處，打開插入管腳或總線對話框。（4）單擊該對話框的【NodeFind…】按鈕，打開管腳搜索對話框，選中Pins：all，然后單擊【list】按鈕。在下方的NodesFinder窗口中會出現(xiàn)設(shè)計項目的所有端口管腳名。（5）選中輸入端口節(jié)點N和輸出信號節(jié)點Q、R后，單擊窗口中間的方向按鈕，將管腳進入窗口右側(cè)的選擇區(qū)，單擊【OK】按鈕；回到插入管腳或總線對話框，再次單擊【OK】按鈕。7．波形仿真（6）調(diào)整波形坐標間距后，選中輸入管腳N，在管腳名右側(cè)的B0000（取值）上雙擊，打開管腳參數(shù)對話框，將其設(shè)置為UnsignedDecimal（無符號十進制）。同樣設(shè)置輸出信號節(jié)點Q、R。（7）單擊【OK】按鈕。選中輸入管腳N，單擊波形編輯按鈕

，并在Countevery輸入框內(nèi)輸入100，單位選ns。（8）單擊菜單欄中的Simulation→RunFunctionalSimulation選項或工具欄中的

按鈕，啟動仿真。使用調(diào)整焦距工具調(diào)整波形坐標間距。（1）單擊標題欄中的Assignments→PinPlanner選項，出現(xiàn)管腳規(guī)劃窗口。（2）在Location輸入框中，雙擊鼠標，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)所使用的實驗箱或開發(fā)板的管腳分配情況鎖定管腳。將輸入信號管腳鎖定為按鍵、輸出管腳鎖定為發(fā)光二極管。（3）單擊標題欄中的Processing→StartCompilation選項，再次啟動全程編譯。編譯成功后，就可以將設(shè)計的程序下載到可編程邏輯芯片中。8．編程（4）使用電纜將計算機和實驗箱連接，接通實驗箱電源。單擊Tools→Programmer選項，在編程窗口中進行硬件配置，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，在彈出的對話框中，再打開output_files文件夾，單擊選中EXDID.sof文件，再單擊【Start】按鈕，即可開始對芯片編程。（6）如果建立項目時選定的芯片和實驗箱適配板上的芯片不同，下載會失敗。這時可單擊Project→Add/RemoveFilesinProject…，打開設(shè)置對話框，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。按照除法運算規(guī)則驗證電路。例如輸入信號A為“1101”（十進制數(shù)字13），除以十進制常數(shù)3，輸出信號商Q為“0100”（十進制數(shù)字4）、余數(shù)R為“0001”（十進制數(shù)字1）。測試時注意二進制數(shù)字的高、低位的排列順序。9．電路測試1．題目說明

利用QuartusⅡ軟件的原理圖輸入方式，使用LPM宏單元庫設(shè)計一個能實現(xiàn)4位二進制數(shù)和3位二進制數(shù)的除法運算電路，完成編譯和波形仿真后，下載到實驗平臺驗證電路功能。2．建立項目3．生成除法運算模塊4．編輯與編譯2.4實訓：除法器的設(shè)計與實現(xiàn)除法器原理圖文件

除法器仿真波形（1）記錄并說明仿真波形。（2）整理電路測試記錄表，分析測試結(jié)果。（3）分析被除數(shù)或除數(shù)為零時的運算結(jié)果。實訓報告EDA項目教程

——基于VHDL與FPGA本章要點

VHDL的程序結(jié)構(gòu)VHDL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)VHDL的并行語句項目3數(shù)據(jù)編碼器的設(shè)計與實現(xiàn)VHDL是一種用普通文本形式設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述語言，主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，可以在任何文字處理軟件環(huán)境中編輯。編寫VHDL程序時允許使用一些符號（字符串）作為標識符，標識符的命名規(guī)則如下：（1）由26個英文字母、數(shù)字0~9及下劃線“_”組成。（2）第一個字符必須以字母開頭。（3）下劃線不能連用，最后一個字符不能是下劃線。（4）對大小寫字母不敏感（英文字母不區(qū)分大小寫）。在VHDL中把具有特定意義的標識符號稱為關(guān)鍵字，只能作固定用途使用，用戶不能將關(guān)鍵字作為一般標識符來使用，如ENTITY，PORT，BEGIN，END等。3.1VHDL的程序結(jié)構(gòu)3.1.1VHDL的基本結(jié)構(gòu)--庫和程序包部分LIBRARYIEEE；--IEEE庫

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；--調(diào)用IEEE庫中STD_LOGIC_1164程序包--實體部分ENTITYnotgateIS--實體名為notgatePORT（--端口說明

a：INSTD_LOGIC；--定義端口類型

和數(shù)據(jù)類型

y：OUTSTD_LOGIC）；ENDnotgate；--實體結(jié)束--結(jié)構(gòu)體部分ARCHITECTUREinvOFnotgateIS--結(jié)構(gòu)體名為invBEGINy<=NOTa；--將a取反后賦值給輸出端口yENDinv；--結(jié)構(gòu)體結(jié)束3.1.2庫和程序包1．庫LIBRARY庫名；常用的庫有IEEE庫、STD庫和WORK庫。2．程序包調(diào)用程序包的通用模式為：USE庫名.程序包名.ALL；例如調(diào)用STD_LOGIC_1164程序包中的項目需要使用以下語句：LIBRARYIEEE；

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；3.1.3VHDL的實體實體的格式如下：ENTITY實體名IS[GENERIC（類屬說明）][PORT（端口說明）]END[ENTITY]實體名；1．類屬說明GENERIC（常數(shù)名1：數(shù)據(jù)類型1：=設(shè)定值1；

……；常數(shù)名n：數(shù)據(jù)類型n：=設(shè)定值n）；2．端口說明PORT（端口信號名1：端口模式1數(shù)據(jù)類型1；

……；端口信號名n：端口模式n數(shù)據(jù)類型n）；3.1.4VHDL的結(jié)構(gòu)體

一個實體中可以有一個結(jié)構(gòu)體，也可以有多個結(jié)構(gòu)體，但各個結(jié)構(gòu)體不應有重名，其格式如下：ARCHITECTURE結(jié)構(gòu)體名OF實體名IS[結(jié)構(gòu)體說明部分；]BEGIN

功能描述語句；END[ARCHITECTURE]結(jié)構(gòu)體名；3.1.5VHDL的特點1．語法規(guī)范標準、開發(fā)周期短VHDL具有嚴格的語法規(guī)范和統(tǒng)一的標準，可讀性強。用VHDL書寫的源文件既是程序，又是文檔，可以直接用于設(shè)計成果的交流。VHDL采用基于模塊庫的設(shè)計方法，這樣在設(shè)計一個大規(guī)模集成電路或數(shù)字系統(tǒng)的過程中，技術(shù)人員就不需要從門級電路開始一步步地進行設(shè)計，可以用原來設(shè)計好的模塊直接進行累加，這些模塊可以預先設(shè)計或者使用以前設(shè)計中的存檔模塊，這些模塊存放在資源庫中，就可以在以后的設(shè)計中進行復用。不難看出，復用減小了硬件電路設(shè)計的工作量，縮短了開發(fā)周期。3.1.5VHDL的特點2．與工藝無關(guān)

當設(shè)計人員用VHDL進行硬件電路設(shè)計時，并沒有涉及到與工藝有關(guān)的信息。當一個設(shè)計描述進行完編譯、模擬和綜合后，就可以采用不同的工具軟件將設(shè)計映射到不同的器件上去。映射不同的器件，只需要改變相應的工具軟件，而無需修改設(shè)計描述。3.1.5VHDL的特點3．易于ASIC（專用集成電路）移植

當產(chǎn)品的數(shù)量達到相當?shù)囊?guī)模時，采用VHDL開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)能夠很容易地轉(zhuǎn)成ASIC的設(shè)計。有時用于PLD的程序可以直接用于ASIC，并且由于VHDL是一種IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，所以使用VHDL設(shè)計可以確保ASIC廠商生產(chǎn)出高質(zhì)量的芯片產(chǎn)品。3.1.5VHDL的特點4．上市時間短、成本低VHDL和可編程邏輯器件很好地結(jié)合，可以大大提高數(shù)字產(chǎn)品芯片化設(shè)計的實現(xiàn)速度。VHDL使設(shè)計描述更加方便、快捷，可編程邏輯器件的應用可以將產(chǎn)品設(shè)計的前期風險降至最低，并使設(shè)計的快速復制簡單易行。3.2編碼器的設(shè)計

在一些場合，需要用特定的符號或數(shù)碼表示特定的對象，例如一個班級中的每個同學都有不重復的學號，每個電話用戶都有一個特定的號碼等。在數(shù)字電路中，需要將具有某種特定含義的信號變成代碼，利用代碼表示具有特定含義對象的過程，稱為編碼。能夠完成編碼功能的器件，稱為編碼器（Encoder）。編碼器分為普通編碼器和優(yōu)先級編碼器兩類。3.2.1數(shù)據(jù)對象1．常量CONSTANT常量名[，常量名…]：數(shù)據(jù)類型：=表達式；CONSTANTVCC：REAL:=3.3；--常量VCC的類型是實

數(shù)，值為3.3CONSTANTGND：INTEGER:=0；--常量GND的類型是

整數(shù)，值為0CONSTANTDELAY：TIME:=100ns；--常量DELAY是

時間類型，初值為100ns。數(shù)值和單位之間要留空格。3.2.1數(shù)據(jù)對象2．變量VARIABLE變量名[，變量名…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][：=表達式]；VARIABLEs1，s2：INTEGER:=256；VARIABLEcont：INTEGERRANGE0TO10；第一條語句中變量s1和s2都為整數(shù)類型，初值都是256；第二條語句中，RANGE…TO…是約束條件，表示變量cont的數(shù)據(jù)限制在0~10的整數(shù)范圍內(nèi)。變量CONT沒有指定初值，則取默認值，默認值為該類型數(shù)據(jù)的最小值或最左端值，那么本條語句中cont初值為0（最左端值）。3.2.1數(shù)據(jù)對象3．信號SIGNAL信號名[，信號名…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][：=表達式]；SIGNALa，b：INTEGER：RANGE0TO7:=5；SIGNALground：BIT:='0'；第一條語句定義整數(shù)類型信號a、b，取值范圍限定在0~7，并賦初值5；第二條語句定義位信號ground并賦初值'0'。在VHDL程序中，信號和變量是兩個經(jīng)常使用的對象，都要求先聲明，后使用，具有一定的相似性，其主要區(qū)別如下：（1）在聲明中賦初值，都使用:=運算符；聲明后使用時，信號賦值使用<=運算符，變量賦值仍然使用:=運算符；（2）信號賦值有附加延時，變量賦值則沒有。（3）對于進程語句，進程只對信號敏感，不對變量敏感。（4）外部信號表示端口，內(nèi)部信號可看成硬件中的一根連線。變量在硬件中沒有類似的對應關(guān)系，常用于保存運算的中間結(jié)果。描述硬件邏輯時，還是應以信號為主，盡量減少變量的使用。3.2.2VHDL的運算符（1）邏輯運算符。（2）關(guān)系運算符。（3）移位運算符。（4）符號運算符。（5）連接運算符。（6）算術(shù)運算符。3.2.3賦值語句賦值語句是將一個值或者一個表達式的結(jié)果傳遞給某一個數(shù)據(jù)對象，數(shù)據(jù)在實體內(nèi)部的傳遞以及對端口外的傳遞都必須通過賦值語句來實現(xiàn)。VHDL語言提供了兩種類型的賦值語句：信號賦值語句和變量賦值語句。變量賦值語句和信號賦值語句的語法格式如下：變量:=表達式；信號<=表達式；LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYvote_3ISPORT(A,B,C:INSTD_LOGIC;Y:OUTSTD_LOGIC);ENDvote_3;ARCHITECTUREdeOFvote_3ISSIGNALe:STD_LOGIC;--定義e為信號BEGINY<=(AANDB)OR(AANDC)ORe;--以下兩條并行語句與書寫順序無關(guān)e<=BAN