《Xilinx FPGA設(shè)計基礎(chǔ)》課件第6章

第6章VHDL程序設(shè)計實驗6.1實驗一層次化工程的創(chuàng)建6.2實驗二仿真測試平臺的創(chuàng)建6.3實驗三存儲器和記錄類型實驗6.4實驗四n比特計數(shù)器及RTL驗證實驗

6.5實驗五比較器實驗6.6實驗六算術(shù)邏輯單元實驗6.7實驗七狀態(tài)機實驗6.8實驗八計數(shù)器實驗6.9實驗九IP核應(yīng)用實驗6.10實驗十數(shù)字時鐘管理IP核實驗

6.1實驗一層次化工程的創(chuàng)建

6.1.1實驗介紹

本實驗將完成兩個實體MY_AND2和MY_OR2的RTL描述，并用結(jié)構(gòu)化的描述方式描述如圖6.1所示電路的頂層模塊AND_OR。實驗中默認的文件夾為\VHDL_LABS\，讀者可以在任意位置創(chuàng)建文件夾VHDL_LABS。圖6.1AND_OR的層次結(jié)構(gòu)6.1.2實驗?zāi)繕?/p>

●熟悉簡單邏輯門的RTL描述；

●創(chuàng)建簡單電路的結(jié)構(gòu)化描述；

●用VHDL創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)描述；

●熟悉ISE集成環(huán)境中的HDL編輯器。

6.1.3實驗過程

本實驗包含三個主要的部分：使用ISE集成環(huán)境創(chuàng)建一個新的工程；完成邏輯門的RTL描述；檢查代碼中的語法錯誤并生成原理圖。每個部分都有對應(yīng)的詳細步驟，并有圖表輔助說明步驟的內(nèi)容。讀者可以按照詳細步驟一步一步完成實驗，也可以按照大的實驗部分自行完成。6.1.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB1。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接雙擊桌面上XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，如圖6.2所示。圖6.2創(chuàng)建新工程界面

(3)在ProjectName中填入工程名LAB1，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB1。

(4)單擊Next按鈕。

(5)在圖6.3中填入如下參數(shù)：

Family：Spartan3；

Device：XC3S200；

Package：PQ208；

Speed：-5。

(6)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中都不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。圖6.3工程屬性參數(shù)

2．邏輯門的RTL描述

編寫MY_AND2實體的VHDL代碼。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名MY_AND2，單擊Next按鈕后彈出DefineModule窗口，如圖6.4所示。圖6.4輸入模塊的相關(guān)參數(shù)

(3)輸入模塊的ArchitectureName和端口參數(shù)，如圖6.4所示。

(4)輸入完成后單擊Next按鈕，確認模塊參數(shù)后，單擊Finish按鈕。

新文件生成向?qū)凑沼脩糨斎氲膮?shù)創(chuàng)建新文件，但是完成向?qū)У牟僮骱?，對文件的全部后續(xù)修改都只能在HDL編輯器中修改。

(5)用VHDL的邏輯運算操作符和直接代入語句描述邏輯門的功能，即C<=AandB。用戶可以對照實驗后面給出的代碼做相應(yīng)的修改。

編寫MY_OR2和AND_OR模塊的VHDL代碼。

(1)重復(fù)上面的步驟完成MY_OR2.VHD和AND_OR.VHD代碼的編寫。

(2)將AND_OR.VHD的輸入定義為一個總線，即STD_LOGIC_VECTOR類型。

(3)在AND_OR模塊中，必須聲明和例化被調(diào)用的下層模塊MY_AND2和MY_OR2。

(4)在AND_OR模塊中，必須顯式地定義用于下層模塊互聯(lián)的連線信號。

(5)?MY_OR2和AND_OR模塊的代碼可以參照本實驗后面給出的代碼實例。

3．語法檢查并生成原理圖

檢查所寫代碼中的語法。

(1)在ISE的Sources窗口中選中AND_OR模塊，在Processes窗口中，展開Synthesize，雙擊CheckSyntax，如圖6.5所示。圖6.5語法檢查

(2)如果語法檢查有錯誤，修正相應(yīng)的錯誤。

語法檢查成功并不能說明設(shè)計文件中沒有任何問題，設(shè)計文件的問題有可能在綜合或后續(xù)的一些操作中才會被檢測出。

將設(shè)計文件生成對應(yīng)的原理圖，直觀地檢查設(shè)計是否滿足最初的設(shè)計要求。在生成原理圖的過程中，ISE同時會對工程做綜合。在綜合的過程中，ISE有可能會對設(shè)計文件的一些問題報錯，如果出現(xiàn)錯誤，請對照修正。

(1)在Sources窗口中，選中AND_OR.VHD，在Processes窗口中，展開Synthesis，雙擊ViewRTLSchematic，如圖6.6所示。圖6.6查看原理圖

AND_OR模塊對應(yīng)的頂層原理圖如圖6.7所示，雙擊AND_OR模塊的圖示，可以看到AND_OR底層的電路。圖6.7AND_OR的原理圖

AND_OR的底層電路如圖6.8所示。

(2)如果電路圖與設(shè)計的預(yù)期結(jié)構(gòu)不同，可以從設(shè)計源文件中修改。

(3)讀者可以在圖6.6的Processes窗口中雙擊ViewTechnologySchematic查看設(shè)計文件在XilinxFPGA器件中的綜合后實現(xiàn)方法。圖6.8AND_OR的底層電路6.1.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們創(chuàng)建了一個簡單的邏輯門模塊，這個模塊在上層的模塊中被調(diào)用，模塊之間通過信號相連。讀者通過這個簡單的實驗，接觸了使用VHDL編程的一些基本技術(shù)和方法，這些方法會在后續(xù)的工程中經(jīng)常使用。

6.1.6實驗中的代碼

本實驗中會用到3個文件，文件對應(yīng)的代碼分別如下：

6.2實驗二仿真測試平臺的創(chuàng)建

6.2.1實驗介紹

本實驗將對實驗一中的AND_OR模塊建立一個測試平臺文件，并進行仿真驗證。仿真平臺框架如圖6.9所示。作為測試平臺的一部分，讀者將學(xué)會如何用并發(fā)描述語句和順序描述語句創(chuàng)建一個簡單的輸入激勵。圖6.9AND_OR的測試平臺框架6.2.2實驗?zāi)繕?/p>

●創(chuàng)建一個測試平臺文件，測試實驗一中的AND_OR模塊，驗證其正確性；

●學(xué)習(xí)ISE9.1i中的測試平臺向?qū)В?/p>

●建立基本的輸入激勵；

●學(xué)習(xí)仿真驗證的方法。

6.2.3實驗過程

本實驗包含四個主要的部分：創(chuàng)建一個新的工程，并導(dǎo)入VHDL源文件；用ISE中的測試平臺向?qū)蓽y試平臺文件；創(chuàng)建并發(fā)和順序描述的輸入激勵語句；最后運行仿真，驗證邏輯的正確性，并通過仿真波形，驗證設(shè)計的功能是否正確。6.2.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB2，并導(dǎo)入已有的VDHL程序。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject打開創(chuàng)建新工程界面，ProjectName中填入工程名LAB2，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB2。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

(5)選擇菜單欄中的Porject→AddCopyofSource。

(6)文件查找路徑選擇為\VHDL_LABS\LAB1，選擇已存在的三個文件AND_OR，MY_AND2，MY_OR2，然后單擊Open按鈕。

(7)?ISE會自動檢測加入的文件，如圖6.10所示。單擊OK按鈕，確認添加的文件。圖6.10加入源文件

2．創(chuàng)建一個測試平臺文件

使用測試平臺向?qū)梢粋€測試平臺文件。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，左側(cè)選擇VHDLTestBench，右側(cè)FileName欄中填入文件名AND_OR_TB，如圖6.11所示。

(3)單擊Next按鈕，軟件會彈出一個界面，詢問測試平臺文件與哪個設(shè)計文件關(guān)聯(lián)。

(4)選擇頂層模塊AND_OR，單擊Next按鈕，確認文件信息后，單擊Finish按鈕，完成文件的創(chuàng)建。圖6.11源文件類型選擇向?qū)е链?，我們已?jīng)設(shè)計好了測試平臺文件的框架。ISE的測試平臺文件向?qū)ё詣訛槲覀兺瓿闪藴y試平臺文件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在ISE的Sources窗口中，選擇Sourcesfor欄的BehavioralSimulation，用戶可以在Sources窗口中看到AND_OR_TB文件，雙擊這個文件，可以查看文件的內(nèi)容。

測試平臺文件包括以下幾部分：

●被測試的頂層元件聲明；

●頂層的信號聲明；

●元件例化與端口映射；

●測試激勵輸入的外部描述結(jié)構(gòu)。

3．創(chuàng)建簡單的輸入激勵

用并發(fā)描述語句和順序描述語句創(chuàng)建簡單的測試輸入激勵。測試源需要對總線INP(3downto0)的信號單獨輸入測試激勵，因此首先要將INP的信號分開，這里用兩組信號分別與INP的不同信號相連，便于分別驅(qū)動。

(1)在AND_OR_TB文件的Architecture中加入兩個信號定義：

signalA_STIM,B_STIM:STD_LOGIC_VECTOR(1downto0);

(2)在Architecture聲明后，在begin之后插入下面的直接代入語句：

INP<=A_STIM&B_STIM;

(3)參考本實驗后面的代碼對A_STIM和B_STIM分別輸入獨立的測試激勵。

4．驗證AND_OR的邏輯結(jié)構(gòu)

運行仿真，查看仿真波形，驗證設(shè)計的功能正確性。

(1)在完成了AND_OR_TB.VHD測試平臺文件的編寫之后，在Sources窗口的Sourcesfor欄中選擇BehavioralSimulation，并在文件樹中選擇AND_OR_TB.vhd，在Processes窗口中雙擊CheckSyntax，如圖6.12所示。

(2)如果發(fā)現(xiàn)有語法錯誤，請修正錯誤后繼續(xù)進行下面的步驟。圖6.12對仿真平臺文件做語法檢查

(3)在Processes窗口中，雙擊SimulateBehavioralModel，ISE將會自動進行仿真，如果沒有錯誤，仿真后的波形應(yīng)如圖6.13所示。圖6.13AND_OR_TB仿真波形注意：在圖6.13左側(cè)的Processes窗口中，會出現(xiàn)一個SimHierarchy選項卡，這個層次結(jié)構(gòu)即為AND_OR_TB測試平臺的層次結(jié)構(gòu)。用戶可以展開這個仿真層次，然后選中設(shè)計文件中任一層次的任一信號，將其拖入波形窗口中，查看仿真結(jié)果。

開始仿真后，在ISE的菜單欄中會出現(xiàn)一個Simulate菜單，與其相應(yīng)的，在工具欄中會出現(xiàn)仿真工具，如圖6.14所示。圖6.14工具欄中的仿真工具6.2.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們創(chuàng)建了一個測試平臺，并對實驗一中的AND_OR模塊進行了驗證。這個測試平臺雖然簡單，但包含了一般仿真過程的基本步驟。在后續(xù)的實驗中，還會在測試平臺文件中加入更多的功能和特性。

6.2.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下：

6.3實驗三存儲器和記錄類型實驗

6.3.1實驗介紹

本實驗將完成圖6.15所示的結(jié)構(gòu)中MEM部分的模塊。實驗內(nèi)容主要涉及記錄(record)數(shù)據(jù)類型的使用方法，以及如何以此為基礎(chǔ)，用二維數(shù)組描述一個存儲器。圖6.15簡單的計數(shù)器6.3.2實驗?zāi)繕?/p>

●用記錄(record)數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建一個用戶自定義的RAM結(jié)構(gòu)；

●創(chuàng)建計數(shù)器的第一個元件；

●多種VHDL數(shù)據(jù)類型的復(fù)合使用；

●驗證邏輯結(jié)構(gòu)。

6.3.3實驗過程

本實驗包含三個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；創(chuàng)建一個VHDL的包集合，包集合中定義了用戶自定義的記錄(record)數(shù)據(jù)類型；最后用這個記錄(record)數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建一個二維的存儲器數(shù)組。6.3.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB3。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，ProjectName中填入工程名LAB3，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB3。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中都不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．創(chuàng)建一個包含記錄(record)數(shù)據(jù)類型的包集合

創(chuàng)建一個包集合，并在包集合中包含用戶自定義的記錄(record)數(shù)據(jù)類型。

(1)選擇菜單欄的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLPackage，在右側(cè)FileName欄中填入文件名CALC1_PACKAGE。

(3)單擊Next按鈕，文本編輯框中即顯示已創(chuàng)建好的包集合模板。這個包集合模板中包含了各種常用的聲明語句，在使用時可能感覺比較繁雜，由于本實驗只定義一個記錄(record)數(shù)據(jù)類型，讀者可以只保留包集合模板中package和endpackage的聲明語句，其他語句都刪掉。

(4)將包集合命名為CALC1_PAK。

(5)創(chuàng)建一個記錄，命名為MY_RECORD，MY_RECORD包含以下元素：

3．創(chuàng)建一個二維存儲器數(shù)組

用已定義好的MY_RECORD類型聲明一個二維存儲器數(shù)組。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource；

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名MEM，單擊Next按鈕進入端口定義窗口DefineModule。

(3)在DefineModule窗口中輸入下面的端口定義：

ADDR:in

STD_LOGIC_VECTOR(2downto0);

EN:in

STD_LOGIC;

DATA_FRAME:outMY_RECORD;注意：在DefineModule窗口中是無法定義MY_RECORD類型的，窗口中的端口默認為STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR類型的數(shù)據(jù)。DATA_FRAME的數(shù)據(jù)類型需要在文件生成好后，在文本編輯器中修改。

(4)在MEM的庫和包集合使用聲明中，加入對CALC1_PAK的使用聲明。

(5)在結(jié)構(gòu)體中定義一個二維存儲器類型ROM_ARRAY，ROM_ARRAY類型中包含6個MY_RECORD類型的數(shù)據(jù)。

(6)聲明一個ROM_ARRAY類型的常量MY_ROM，并對其進行初始化。

(7)在結(jié)構(gòu)體的進程中，用MY_ROM中的數(shù)據(jù)對輸出端口賦值，讀者可以參考本實驗后面的實驗代碼完成此步驟。

語法檢查：

(1)在Sources窗口中選擇MEM.VHD，在Processes窗口中雙擊CheckSyntax。

(2)如果語法檢查有錯誤，請修正錯誤后繼續(xù)進行下面的步驟。

注意：如果此時查看MEM對應(yīng)的RTL原理圖，讀者會看到這個原理圖并不完整，這是由于存儲器中全部的值都是常量，而且沒有做任何的處理，綜合器在綜合時將電路做了優(yōu)化。6.3.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們首先創(chuàng)建了一個包集合，包集合中的內(nèi)容將會在后續(xù)的設(shè)計中經(jīng)常用到；之后，創(chuàng)建了一個用戶自定義的記錄類型，并以此為基礎(chǔ)定義了一個二維存儲數(shù)組類型。存儲器內(nèi)部的值設(shè)置為常量，我們會在后續(xù)的實驗中修改存儲器中的值。

6.3.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下：

6.4實驗四n比特計數(shù)器及RTL驗證實驗

6.4.1實驗介紹

本實驗將完成圖6.16中MY_CNTR計數(shù)器的RTL描述，計數(shù)器的位寬用generic語句設(shè)置為參數(shù)。MY_CNTR是一個n比特二進制的計數(shù)器，可以向上向下計數(shù)，并可設(shè)置計數(shù)值，計數(shù)器用異步的方式進行低電平復(fù)位。實驗的后半部分將會建立一個測試平臺，測試計數(shù)器的RTL代碼是否能夠完成既定的功能。圖6.16n比特計數(shù)器6.4.2實驗?zāi)繕?/p>

●創(chuàng)建、仿真并驗證n比特二進制計數(shù)器的RTL代碼；

●在ISE中使用語法模板；

●使用VHDL中的generic語句。

6.4.3實驗過程

本實驗包含三個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；用generic語句聲明參數(shù)；創(chuàng)建一個測試平臺驗證設(shè)計文件的正確性。

6.4.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB4。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject打開創(chuàng)建新工程界面，在ProjectName中填入工程名LAB4，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB4。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中都不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．用generic語句聲明參數(shù)

創(chuàng)建MY_CNTR實體。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口的左側(cè)選擇VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名MY_CNTR。

(3)單擊Next按鈕，進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中輸入圖6.16所示的輸入/輸出端口定義，其中只有D_IN和Q_OUT是位寬為參數(shù)的總線，其他端口都為單根信號，單擊Next按鈕，確認模塊信息后單擊Finish按鈕完成模塊的生成。

在DefineModule中不能使用generic語句定義模塊的參數(shù)，模塊的參數(shù)需要在文本編輯器中添加和修改。本實驗中的功能語句將需要用到數(shù)組的算術(shù)運算，因此要聲明使用IEEE的兩個包集合IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL和IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL。

模塊生成向?qū)Р恢С帜K的參數(shù)定義，因此需要手工輸入。

(1)使用VHDL中的generic語句將模塊的端口位寬定義為參數(shù)，參數(shù)的類型定義為整數(shù)類型，默認值為8。

(2)端口位寬的參數(shù)名用戶可以自行定義。

模塊的實體定義完成之后，需要定義模塊的結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)。

(1)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，用if/else語句描述計數(shù)器的功能實現(xiàn)。在描述功能實現(xiàn)時，讀者首先需要考慮這些控制信號的優(yōu)先級，然后考慮在設(shè)定的優(yōu)先級情況下如何描述計數(shù)器的功能實現(xiàn)。

ISE的VHDL語言模板中已經(jīng)定義了一個計數(shù)器的模板，讀者可以直接拷貝模板程序，然后做一些簡單的修改。選擇菜單欄中的Edit→LanguageTemplates，如圖6.17所示，即可打開計數(shù)器的模板。圖6.17VHDL中的計數(shù)器模板

(2)在結(jié)構(gòu)體中聲明一個信號，信號的位寬為8，用參數(shù)聲明信號的位寬，信號名稱定義為COUNT。在時序進程中，將控制這個信號的值。

(3)在進程外，用COUNT對模塊的端口Q_OUT賦值，即Q_OUT<=COUNT。

(4)復(fù)位時，用下面的語句對COUNT信號賦值：

COUNT<=(others=>'0')；

使用這種方式賦值時，設(shè)計者不需要關(guān)注信號的實際位寬。這是增強程序靈活性的一種重要方法，因為在使用generic語句時，端口的位寬可以是任意長度。這一步完成后，MY_CNTR的源代碼就編寫完成了，如果讀者對代碼仍有疑問，可以參考本實驗后面的實驗代碼部分完成代碼的編寫。

語法檢查：

(1)在Sources窗口中選中MY_CNTR.VHD，在Processes窗口中展開Synthesis，并雙擊CheckSyntax。

(2)雙擊ViewRTLSchematic驗證綜合器是否將代碼綜合為一個二進制計數(shù)器。

(3)如果代碼中有語法錯誤，請修正錯誤后繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟。

3．創(chuàng)建測試平臺

建立測試平臺并驗證計數(shù)器的功能是否滿足設(shè)計需求。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLTestBench，在右側(cè)FileName欄中填入文件名MY_CNTR_TB。

(3)單擊Next按鈕，軟件彈出一個界面，詢問測試平臺文件與哪個設(shè)計文件關(guān)聯(lián)，選擇MY_CNTR。

與之前的實驗相同，測試平臺生成向?qū)б呀?jīng)為用戶搭建好了測試平臺的框架，設(shè)計者可以只關(guān)注于測試輸入激勵。

測試平臺向?qū)傻奈募蚣苤?，元件的參?shù)已經(jīng)被去掉，而直接用參數(shù)的默認值代替。在本實驗中，參數(shù)的默認值正好是我們需要的值，然而在其他的應(yīng)用中，為了保持參數(shù)的靈活性，用戶可能要重新聲明元件的參數(shù)。

創(chuàng)建測試輸入激勵，如果在編寫激勵過程中有疑問可以對照本實驗后面的實驗代碼部分。

(1)?CLOCK時鐘頻率設(shè)置為100MHz。

(2)在15ns時對計數(shù)器進行復(fù)位，復(fù)位保持時間為25ns。

(3)?CE信號的初始值設(shè)置為High，300ns后拉低，并保持100ns。

(4)?LOAD信號初始值為Low，500ns后拉高，并保持一個時鐘周期。

(5)?UPDN信號初始值為High，750ns后拉低。

(6)?D_IN信號的值設(shè)置為X“0F”或00001111。

檢查語法錯誤，并用ISESimulator進行仿真。

(1)在Sources窗口中選中MY_CNTR_TB.VHD，在Processes窗口中雙擊CheckSyntax。

(2)如果有語法錯誤，請修正后繼續(xù)后面的步驟。

(3)在Processes窗口中，雙擊SimulateBehavioralModel。仿真的結(jié)果如圖6.18所示。圖6.18計數(shù)器仿真結(jié)果6.4.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們創(chuàng)建了一個參數(shù)可配置的n比特二進制計數(shù)器，計數(shù)器可以被配置成任意位寬，generic語句是模塊重用和增加代碼可讀性的一種重要方法。

我們同時熟悉了ISE中的VHDL語言模板的使用方法，使用模板可以幫助用戶方便快捷地建立所需類型的代碼。

實驗的最后，我們創(chuàng)建了一個測試平臺，并設(shè)計了輸入激勵，對設(shè)計文件進行了對應(yīng)的功能仿真。

6.4.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下：

6.5實驗五比較器實驗

6.5.1實驗介紹

本實驗將完成圖6.19中比較器COMP的兩種描述方式下的獨立描述，一種為行為描述方式，應(yīng)用VHDL中的Assert語句和條件信號賦值語句；另一種為RTL描述方式，用if/else語句。圖6.19簡單的計數(shù)器6.5.2實驗?zāi)繕?/p>

●學(xué)習(xí)使用assert語句；

●學(xué)習(xí)使用VHDL中的基本條件描述結(jié)構(gòu)if/else；

●用行為描述方式和RTL描述方式分別對給定的模塊進行描述；

●驗證設(shè)計文件的正確性。

6.5.3實驗過程

本實驗包含四個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；創(chuàng)建COMP的行為描述代碼；創(chuàng)建COMP的RTL描述代碼；創(chuàng)建測試平臺文件，驗證描述模型的正確性。6.5.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB5。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，ProjectName中填入工程名LAB5，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB5。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．創(chuàng)建COMP的行為描述

1)創(chuàng)建COMP的行為描述

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名COMP。

(3)單擊Next按鈕進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中輸入表6.1所示的輸入/輸出端口定義，單擊Next按鈕，確認模塊信息后，單擊Finish按鈕，完成模塊的配置。表6.1COMP的端口定義

(5)在生成的模塊定義中，結(jié)構(gòu)體的名稱默認為Behavioral，無需改變。

2)完成模塊的結(jié)構(gòu)體描述

本步驟主要完成行為描述方式的結(jié)構(gòu)體，最主要的目的是仿真。使用VHDL中的assert語句比較兩個輸入信號，并配以severitylevel和report結(jié)構(gòu)完成比較。用條件信號賦值語句對輸出信號RESULT賦值，如果輸入的兩個信號相等，則賦值為1，否則賦值為0。讀者可以參考本實驗后面的代碼完成源文件的編寫。

3)語法檢查

(1)在Sources窗口中選中COMP.VHD，在Processes窗口中展開Synthesis，并雙擊CheckSyntax。

(2)如果代碼中有語法錯誤，請修正錯誤后繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟。

3．創(chuàng)建COMP的RTL描述

創(chuàng)建RTL描述方式的COMP。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口的左側(cè)選擇VHDLModule，右側(cè)FileName欄中填入文件名COMP_RTL。

(3)單擊Next按鈕，進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中將模塊的結(jié)構(gòu)體名稱改為RTL，并按照與行為描述方式中相同的方法填寫模塊的端口定義。

(5)在COMP_RTL的結(jié)構(gòu)體描述中使用if/else語句描述COMP_RTL的功能，實現(xiàn)的功能與行為描述中實現(xiàn)的功能相同。

4．創(chuàng)建測試平臺文件

創(chuàng)建一個簡單的測試平臺，并驗證行為描述方式下的COMP模塊功能是否正確。

在仿真的時候請注意查看ISE的console窗口，如果輸入的兩個數(shù)據(jù)不同，則在console窗口中會打印出用戶定制的消息。

使用ISESimulator對創(chuàng)建的測試平臺進行仿真，并調(diào)試工程源代碼。6.5.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們創(chuàng)建了COMP模塊的兩種描述方式下的代碼，第一種為行為級描述方式，主要用于仿真，使用的描述語句為assert語句和report語句；第二種為RTL描述，主要用于綜合生成最終的電路，使用的描述語句為if/else語句。

在實驗中，用戶需要使用VHDL中的generate語句在兩種結(jié)構(gòu)體描述中做出選擇。

6.5.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下：

6.6實驗六算術(shù)邏輯單元實驗

6.6.1實驗介紹

本實驗將完成圖6.19中算術(shù)邏輯單元ALU的RTL描述。

6.6.2實驗?zāi)繕?/p>

●學(xué)習(xí)使用case語句描述ALU的結(jié)構(gòu)；

●驗證邏輯結(jié)構(gòu)；

●為計數(shù)器項目創(chuàng)建一個子模塊；

●為輸出數(shù)據(jù)的比較做準備。

6.6.3實驗過程

本實驗包含三個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；創(chuàng)建COMP的行為描述代碼；使用case描述語句；估計輸出的期望值以用于后面輸出的比較。6.6.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB6。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject打開創(chuàng)建新工程界面，在ProjectName中填入工程名LAB6，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB6。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中都不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．使用case描述語句

創(chuàng)建ALU模塊的實體：

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名ALU。

(3)單擊Next按鈕，進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中輸入表6.2所示的輸入/輸出端口定義，單擊Next按鈕，確認模塊信息后，單擊Finish按鈕完成模塊的配置。表6.2ALU的端口定義完成模塊的結(jié)構(gòu)體描述：

(1)用case語句描述如表6.3所示的ALU的功能語句，讀者可以參照本實驗后面的代碼完成功能語句的描述。表6.3ALU的功能描述

(2)計算可能的輸出結(jié)果。填寫表格6.4，計算在給定的一些輸入時，輸出應(yīng)該是什么。表格中的數(shù)據(jù)將被用于描述語句的功能驗證。表6.4估計期望的輸出值語法檢查：

(1)在Sources窗口選中ALU.VHD，在Processes窗口中展開Synthesis，并雙擊CheckSyntax。

(2)如果代碼中有語法錯誤，請修正錯誤后繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟。

6.6.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們用case語句創(chuàng)建了計數(shù)器工程中的ALU模塊，并為驗證后續(xù)實驗中的設(shè)計模塊做好了準備。

在后續(xù)的模塊中，將從MEM模塊中讀出用于計算的數(shù)據(jù)和期望的輸出結(jié)果，將用于計算的輸入數(shù)據(jù)傳入ALU中進行計算，計算的結(jié)果傳輸?shù)紺MP的輸入接口。在CMP中，將ALU計算的結(jié)果和MEM模塊中讀出的期望結(jié)果進行比較，最后給出比較結(jié)果。6.6.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下： 6.7實驗七狀態(tài)機實驗

6.7.1實驗介紹

本實驗將完成圖6.19中CNTRL_FSM子模塊的描述，同時對CNTRL_FSM的RTL描述做進一步的驗證。

在本實驗中，讀者可以采用單進程的方式描述FSM，也可以采用多進程的方式描述，無論采用哪種方式，F(xiàn)SM的輸出都要通過寄存器輸出。在本實驗過程中，我們采用多進程的方式描述，如果時間允許，讀者可以嘗試使用單進程的方式完成本實驗。

本實驗將完成如圖6.20所示FSM的VHDL代碼描述。圖6.20CNTRL_FSM的狀態(tài)機6.7.2實驗?zāi)繕?/p>

●學(xué)習(xí)狀態(tài)機的VHDL語言描述方法；

●學(xué)習(xí)狀態(tài)機的單進程和多進程描述方法。

6.7.3實驗過程

本實驗包含三個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；編寫FSM的VHDL代碼；仿真驗證代碼的功能正確性。

6.7.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB7。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，在ProjectName中填入工程名LAB7，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB7。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．FSM的多進程描述方式

創(chuàng)建FSM模塊的實體。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口的左側(cè)選擇VHDLModule，右側(cè)FileName欄中填入文件名CNTRL_FSM。

(3)單擊Next按鈕，進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中輸入如圖6.21所示的輸入/輸出端口定義，單擊Next按鈕，確認模塊信息后，單擊Finish按鈕完成模塊的配置。

(5)導(dǎo)入實驗三中定義的包集合CALC1_PAK。

由于MEM和FSM有相同的MY_RECORD類型信號的互聯(lián)，導(dǎo)入CALC1_PAK可以保持兩個模塊之間數(shù)據(jù)的一致性。

(6)在FSM中用use語句聲明使用CLAC1_PAK。

(7)在關(guān)鍵字architecture和begin之間，定義一個枚舉類型STATE_TYPE，枚舉的值為圖6.20中的狀態(tài)值。

(8)定義兩個STATE_TYPE類型的信號CURR_STATE和NEXT_STATE，如果是單進程描述，可以只定義一個信號STATE。

注意：模塊的復(fù)位有效信號為RESET的高電平。

(9)描述FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼，在描述的過程中要注意以下幾點：

●輸出信號ADDR在FSM內(nèi)部要完成自加操作，同時要作為判斷條件使用，因此需要定義一個內(nèi)部信號，這個信號在FSM內(nèi)部可以被更新，同時可以驅(qū)動外部的輸出端口。在實驗中注意觀察這個信號的變化?！衲K需要定義一個MY_RECORD類型的輸入端口，接收前端模塊輸入的MY_RECORD類型的數(shù)據(jù)DATA_FRAME。在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部需要用DATA_FRAME中的組成元素分別驅(qū)動模塊中的信號和輸出端口。例如，A_OP<=DATA_FRAME.A_IN。

●?COMP_EN和ALU_EN信號需要精確地控制。

●當ADDR_I信號的計數(shù)值計到“101”后，F(xiàn)SM需要一直保持在這個狀態(tài)，直到復(fù)位信號有效。

3．驗證功能的正確性

創(chuàng)建一個測試平臺，測試FSM的功能正確性，對單進程的FSM描述和多進程的FSM描述可以采用同一個輸入激勵源。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLTestBench，在右側(cè)FileName欄中填入文件名CNTRL_FSM_TB。

(3)單擊Next按鈕，軟件彈出一個界面，詢問測試平臺文件與哪個設(shè)計文件有關(guān)聯(lián)，選擇CNTRL_FSM。

注意：測試平臺文件中也需要聲明使用CLAC1_PAK。測試平臺和測試輸入激勵需要完成下面的功能：

●?RESET為High時，F(xiàn)SM是否能正常復(fù)位；

●?ADDR是否按照既定的方式自增；

●?COMP_EN和ALU_EN信號的時序是否滿足要求；

●當ADDR_I信號達到上界時，F(xiàn)SM是否保持在S3_DONE狀態(tài)。

讀者可以使用之前填好的表6.4中的測試數(shù)據(jù)來測試本實驗中的FSM。

(1)輸入的時鐘信號頻率為50MHz。

(2)仿真25ns后將RESET信號拉高進行復(fù)位，并保持25ns。

(3)控制輸入用于測試的DATA_FRAME數(shù)據(jù)。在ISE默認的仿真情況下，仿真平臺中使用的下層元件信號是無法在波形窗口中看到的。讀者需要手動將下層的信號加入到仿真波形中。

(1)在Sources窗口中選中CNTRL_FSM_TB，在Processes窗口中雙擊SimulateBehavioralVHDLModule，在彈出的仿真波形窗口中，可以看到仿真的波形。

(2)在Processes的SIMHierarchyView窗口中，選擇CNTRL_FSM_TB的下層模塊CNTRL_FSM,并展開其樹結(jié)構(gòu)。

(3)選中樹結(jié)構(gòu)中的CURRENT_STATE信號，并將其拖動到仿真波形窗口中。

(4)讀者可以使用仿真工具欄中的仿真工具控制仿真過程。6.7.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們用狀態(tài)機實現(xiàn)了計數(shù)器工程中的控制模塊。為了保持數(shù)據(jù)類型的一致性，在程序中導(dǎo)入了之前定義的CALC1_PAK包集合，這個包集合中包含了MY_RECORD類型定義。

為了驗證狀態(tài)機描述的正確性，我們創(chuàng)建了一個測試平臺來測試模塊功能的正確性。

6.7.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下： 6.8實驗八計數(shù)器實驗

6.8.1實驗介紹

本實驗將前面實驗中分別完成的計數(shù)器子模塊組合在一起，完成計數(shù)器的頂層模塊SIMPLE_CALC，如圖6.19所示。

6.8.2實驗?zāi)繕?/p>

●合并之前已經(jīng)設(shè)計好的子模塊；

●使用VHDL中的generate描述語句；

●在仿真過程中對輸出數(shù)據(jù)做比較；

●驗證整個電路功能的正確性；

●運行仿真。6.8.3實驗過程

本實驗包含六個主要的部分：創(chuàng)建一個新的ISE工程；導(dǎo)入之前寫好的工程文件；修改MEM模塊，更新ROM中的值；編寫SIMPLE_CALC的頂層模塊，并檢查語法錯誤；創(chuàng)建測試平臺，并對工程進行仿真驗證；最后，用ISE中的Place&Route工具在FPGA器件中實現(xiàn)這個計數(shù)器，并查看相應(yīng)的報告文件。

6.8.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB8。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，在ProjectName中填入工程名LAB8，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB8。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

2．導(dǎo)入源文件

導(dǎo)入實驗三、五、六、七中分別創(chuàng)建的包集合CLAC_PAK和下層模塊MEM、COMP、COMP_RTL、ALU和CNTRL_FSM。

(1)選擇菜單欄中的Project→AddCopyofSource。

(2)選擇目錄為\VHDL_LABS\LAB5，選擇COMP.vhd和COMP_RTL.vhd，單擊打開按鈕，如圖6.21所示。圖6.21添加已有源文件的拷貝

(3)?ISE會自動識別添加文件的類型，如圖6.22所示。

(4)重復(fù)上面的操作步驟，將實驗三完成的CALC1_PAK包集合和MEM、實驗六完成的ALU以及實驗七完成的CNTRL_FSM加入到工程中來。圖6.22自動識別源文件的類型

3．修改MEM模塊

修改MEM模塊的源文件，更新ROM中的數(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)輸入MEM模塊中。

(1)在Sources窗口中雙擊MEM模塊。

(2)將MY_ROM中初始化的數(shù)據(jù)用表6.4中的數(shù)據(jù)修改，用于工程的仿真驗證。

(3)保存修改后的文件。

4．編寫頂層模塊的VHDL源代碼并做語法檢查

編寫SIMPLE_CALC模塊的VHDL源代碼，并檢查語法錯誤。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLModule，在右側(cè)FileName欄中填入文件名SIMPLE_CALC。

(3)單擊Next按鈕，進入DefineModule窗口。

(4)在DefineModule窗口中輸入如表6.5所示的輸入/輸出端口定義，單擊Next按鈕，確認模塊信息后，單擊Finish按鈕完成模塊的配置。表6.5SIMPLE_CALC的端口定義

(5)在打開的新建VHDL文件編輯窗口中，聲明使用CALC1_PAK包集合，并將結(jié)構(gòu)體名稱修改為STRUCTURAL。

(6)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，聲明要使用到的元件MEM、ALU、COMP、COMP_RTL和CNTRL_FSM。讀者可以采用快捷的方法聲明使用的元件，如直接將這些模塊的實體定義拷貝下來，然后修改為元件聲明，或者選中某一個源文件，在Processes窗口中雙擊DesignUtilities→ViewInstantiationTemplate，ISE會給出源文件的聲明和例化模板，供設(shè)計者直接拷貝。

(7)聲明用于連接各個子模塊的內(nèi)部信號。用generate語句配置選擇使用COMP或是COMP_RTL模塊，COMP是行為描述結(jié)構(gòu)的模塊，只用于仿真，而COMP_RTL是RTL描述結(jié)構(gòu)的模塊。實際應(yīng)用中，要根據(jù)設(shè)計者的目的選擇使用哪一種配置。在本實驗中，我們先用仿真的方法做驗證，因此用generate語句配置為使用COMP模塊。

(1)在SIMPLE_CALC的實體定義中，用generic定義一個BOOLEAN類型的參數(shù)SYNTH，SYNTH參數(shù)的默認值為FALSE。

(2)在結(jié)構(gòu)體的關(guān)鍵字begin之后，根據(jù)SYNTH的值創(chuàng)建兩個generate描述語句。讀者可以參照后面的實驗代碼完成描述語句的編寫。

(3)定義一個MY_RECORD類型的信號，用于連接MEM子模塊和CNTRL_FSM子模塊。檢查語法錯誤：

(1)在Sources窗口中，選中SIMPLE_CALC.VHD模塊，在Processes窗口中，展開Synthesize樹，并雙擊CheckSyntax。

(2)雙擊ViewRTLSchematic，查看綜合后的電路與設(shè)計目標電路是否相符。

(3)如果源文件中有語法錯誤，請修正語法錯誤后繼續(xù)進行下面的步驟。

5．仿真，驗證功能正確性

創(chuàng)建SIMPLE_CALC模塊的測試平臺，并運行仿真，驗證功能正確性。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource。

(2)在SelectSourceType窗口中，選擇左側(cè)的VHDLTestBench，在右側(cè)FileName欄中填入文件名SIMPLE_CALC_TB。

(3)單擊Next按鈕，軟件彈出一個界面，詢問測試平臺文件與哪個設(shè)計文件關(guān)聯(lián)，選擇SIMPLE_CALC。

(4)在測試平臺文件編輯窗口中，設(shè)置CLK的時鐘頻率為50MHz。

(5)對測試平臺文件進行仿真。

(6)在仿真過程中，將需要查看的子模塊中的信號拖入仿真波形窗口。

為了驗證功能的正確性，讀者可以將所有希望查看的信號都拖入仿真波形窗口，仔細驗證工程文件的功能正確性。

6．在FPGA中實現(xiàn)工程設(shè)計，并查看報告文件

使用ISE中的Place&Route工具實現(xiàn)工程設(shè)計，查看MAP和PAR的報告文件。

(1)在Sources窗口中，選中SIMPLE_CALC.VHD文件，在Processes窗口中，雙擊ImplementDesign，如圖6.23所示。圖6.23工程實現(xiàn)工具雙擊ImplementDesign，將執(zhí)行器件實現(xiàn)之前所需的全部步驟，這些步驟包括：

●?Translation：將全部的子模塊或網(wǎng)表文件融合到一個網(wǎng)表中。

●?Map：將網(wǎng)表中的邏輯用FPGA的底層資源替換，如slices，registers和I/O等。

●?Placement：將Map后的資源分布到FPGA的固定器件元素中。

●?Routing：對已經(jīng)布局好的FPGA底層器件進行布線連接。

●?Trace：對布局布線后的設(shè)計工程進行時序匯總，給出設(shè)計文件的最高運行頻率等。

(2)工程實現(xiàn)全部結(jié)束之后，展開ImplementDesign樹，顯示所做底層的操作步驟及對應(yīng)的報告文件，如圖6.24所示。圖6.24工程實現(xiàn)的全部操作步驟

(3)雙擊MapReport。這個報告中包括警告、錯誤和資源占用情況等全部信息。

報告中還包括工程實現(xiàn)所占用的分類FPGA器件資源。查看Map報告并嘗試填寫下面的表格。

(4)展開GeneratePost-Place&RouteStaticTiming，并雙擊AnalyzePostPlaceandRouteStaticTiming(TimingAnalyzer)。

(5)?ISE界面彈出一個新的工具組件，這個工具打開后，選擇工具欄中的AnalyzeAgainstAuto-GeneratedDesignConstraints按鈕。如圖6.25所示，由于在工程設(shè)計中，我們并沒有加入任何的時序約束，因此這個報告會用默認的分析工具給出詳細的時序報告。圖6.25時序分析器的工具欄查看時序分析報告，并填寫下表中的內(nèi)容：6.8.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們完成了計數(shù)器工程的全部內(nèi)容，學(xué)會了使用generate描述語句配置兩種不同描述方式的模塊。這個計數(shù)器工程已經(jīng)是一個完整的工程了，下一步我們只需要將這個工程下載到FPGA器件中實際運行，并測試硬件系統(tǒng)電路即可。

6.8.6實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下： 6.9實驗九IP核應(yīng)用實驗

6.9.1實驗介紹

本實驗指導(dǎo)讀者使用ISE中的XilinxCoreGenerator工具生成一個IP核，?在設(shè)計工程中將生成的IP核作為一個元件使用，并對其進行仿真驗證。

6.9.2實驗?zāi)繕?/p>

●使用XilinxCoreGenerator工具生成一個IP核；

●在已有的工程文件中對IP核進行例化；

●對包含IP核的工程設(shè)計文件進行功能仿真。6.9.3實驗過程

本實驗中，我們將使用CoreGenerator工具創(chuàng)建一個塊RAM核，使用這個核替換已有工程中的fifo_2048x8模塊。

實驗包含四個主要的部分：創(chuàng)建一個工程；生成新的核；在工程中對核進行例化；對修改后的核做功能仿真。

6.9.4實驗步驟

1．創(chuàng)建一個新的工程

在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB9。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，ProjectName中填入工程名LAB9，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB9。

(3)在DeviceProperties窗口中，填寫與實驗一中相同的屬性配置。

(4)單擊Next按鈕，在CreateNewSource窗口和AddExistingSources窗口中不做任何操作，在ProjectSummary窗口中確認工程信息后，單擊Finish按鈕完成新工程的創(chuàng)建。

(5)讀者可以將光盤中LAB9的工程設(shè)計文件全部導(dǎo)入，如果沒有光盤，請查看實驗代碼，創(chuàng)建對應(yīng)的設(shè)計文件，并添加到工程設(shè)計中。在進行下面的步驟之前，請詳細查看工程設(shè)計文件，并回答下面兩個問題：

(1)觸發(fā)數(shù)據(jù)向塊RAM存儲的PN碼是什么？

(2)每一個數(shù)據(jù)通道需要用幾個塊RAM？

2．生成一個新的IP核

生成一個新的IP核，并命名為RAM_CORE，核的類型為雙端口塊存儲器。

(1)選擇菜單欄中的Project→NewSource；

(2)在SelectSourceType對話框中，選擇左側(cè)的IP(CoreGen&ArchitectureWizard)，在右側(cè)的FileName文本框中填入RAM_CORE。

(3)單擊Next按鈕。

(4)在SelectIP對話框中，展開Memories&StorageElements，展開RAMs&ROMs，選擇DualPortBlockMemoryv6.3，如圖6.26所示。圖6.26選擇IP類型

(5)單擊Next按鈕，確認IP信息后，再單擊Finish按鈕。

配置IP核的參數(shù)，配置的參數(shù)如下：

●?Name：RAM_CORE。

●?PortA：2048×8bits，writeonly，activehighSINITpin，initialvalue“0”。

●?PortB：2048×8bits，readonly，noreadonwrite，activehighenablepin，activehighSINITpin,initialvalue“0”。

(1)如圖6.27所示，設(shè)定IP核的參數(shù)。

●?ComponentName:ram_core。

●?WidthA:8。

●?DepthA:2048。

●?WidthB:8。

●?PortAOptions:WriteOnly。

●?PortBOptions:ReadOnly。圖6.27設(shè)定IP核的參數(shù)

(2)單擊Next按鈕，選擇PortA的SINITpin選項，如圖6.28所示。圖6.28選擇PortA的SINIT選項

(3)單擊Next按鈕，選擇PortB的EnablePin和SINITpin，如圖6.29所示。

(4)單擊Next按鈕，最后一頁的參數(shù)不需要改變，選用默認參數(shù)即可。

(5)單擊Generate按鈕，生成配置好的IP核。

CoreGenerate工具會自動關(guān)閉，請注意，新生成的核已經(jīng)被加入到工程中，名字為ram_core.xco。圖6.29設(shè)置PortB的相關(guān)參數(shù)

3．在VHDL源文件中例化塊RAM的IP核

在fifo_2048x8.vhd中將第二步生成的IP核進行例化。

(1)在Sources窗口中，雙擊fifo_2048x8.vhd，在文本編輯窗口中fifo_2048x8.vhd打開。

(2)在Sources窗口中，選中ram_core.xco。

(3)在Processes窗口中，雙擊ViewVHDLFunctionalModel，在文本編輯器窗口中查看ram_core的實體定義。

(4)拷貝ram_core的實體定義部分，粘貼到fifo_2048x8.vhd文件對應(yīng)位置，并修改為元件的聲明和例化。

元件的聲明和例化，也可以采用下面的方式：在ISE中打開CoreGenerator生成的ram_core.vho文件，并拷貝文件中的聲明和例化內(nèi)容到fifo_2048x8.vhd文件稍做修改。

(5)?ram_core的例化如下所示：

4．功能仿真

建立測試平臺文件fifo_2048x8_tb.vhd，對fifo_2048x8.vhd進行仿真。

將光盤中的fifo_2048x8_tb.vhd添加到工程中，如果沒有光盤，請參照實驗代碼，自行輸入。仔細查看測試平臺文件，注意以下幾點：

●測試平臺首先向RAM的前16個地址寫入數(shù)據(jù)，然后從這些地址中讀出數(shù)據(jù)；

●常量misc_data用于RAM數(shù)據(jù)的初始化；

●?read_data進程用于讀取RAM中的數(shù)據(jù)。

運行測試平臺fifo_2048x8_tb.vhd的功能仿真，運行時間為2500ns，查看波形文件驗證核的連接是否正確。

(1)在Sources窗口中，選擇Sourcesfor欄中的BehavioralSimulation，然后在文件結(jié)構(gòu)樹中選中fifo_2048x8_tb.vhd。

(2)在Processes窗口中，展開XilinxISESimulator，右鍵單擊SimulateBehavioralModel，選擇Properties。

(3)輸入仿真時間為2500ns。

(4)單擊OK按鈕。

(5)雙擊SimulateBehavioralModel。

(6)查看波形窗口，驗證波形輸出是否與預(yù)期的結(jié)果相同。6.9.5實驗總結(jié)

在本實驗中，我們使用CoreGenerator工具生成了一個IP核，在已有工程中對生成的IP核進行聲明和例化，并對包含IP核的工程文件進行了仿真驗證。

6.9.6問題答案

(1)觸發(fā)數(shù)據(jù)向塊RAM存儲的PN碼字是什么？

PN碼字是“10001101”，在pn_correlation模塊中定義為generic參數(shù)K。

(2)每一個數(shù)據(jù)通道需要用幾個塊RAM？

每個FIFO的大小為2048×8，即16K比特，只需要一個塊RAM就可以。

6.9.7實驗中的代碼

文件對應(yīng)的代碼如下：

6.10實驗十數(shù)字時鐘管理IP核實驗

6.10.1實驗介紹

本實驗指導(dǎo)讀者使用Xilinx的時鐘管理IP工具配置具有多個時鐘輸出頻率的數(shù)字時鐘管理模塊，并將這些時鐘信號連接到全局時鐘緩沖端口。

6.10.2實驗?zāi)繕?/p>

●使用數(shù)字時鐘向?qū)渲脭?shù)字時鐘管理IP核(DCM，DigitalComposerManager)；

●將DCM的輸出連接到全局時鐘緩沖端口。

6.10.3實驗過程

實驗包含兩個主要的部分：生成一個DCM模塊；將這個模塊在HDL代碼中例化。6.10.4實驗步驟

1．生成DCM模塊

本設(shè)計中包含兩個輸入時鐘。

●?66MHz時鐘：clk_66。這是系統(tǒng)的主時鐘，這個時鐘在系統(tǒng)的整個工作過程中一直保持穩(wěn)定有效，包括在系統(tǒng)上電和測試的過程中。

●?50MHz時鐘：clk_50。這個時鐘在系統(tǒng)上電和測試的過程中有可能被關(guān)閉。

為了在上電過程中測試系統(tǒng)，我們用DCM從系統(tǒng)的主時鐘66MHz生成一個50MHz的測試時鐘，然后用一個BUFGMUX選擇使用外部輸入的50MHz時鐘或生成的50MHz時鐘。兩個時鐘的連接方式如圖6.30所示。圖6.30DCM的連接方式創(chuàng)建一個新的工程。在\VHDL_LABS\目錄下創(chuàng)建一個新的工程，新工程命名為LAB10。具體操作步驟如下：

(1)選擇“開始→所有程序→XilinxISE9.1i”或直接在桌面雙擊XilinxISE9.1i的圖標，打開ISE9.1i集成環(huán)境。

(2)在ISE中，選擇菜單欄中的File→NewProject，打開創(chuàng)建新工程界面，在ProjectName中填入工程名LAB10，在ProjectLocation中填入工程所在文件夾\VHDL_LABS\LAB10。

(3)在Devi