四音频输出选择器的VHDL设计与实现.doc

实验三 四音频输出选择器的VHDL设计与实现实验目的1. 熟悉Quartus的VHDL文本设计流程;2. 学习简单组合电路设计、多层次电路设计;3. 锻炼采用VHDL语言进行系统设计的能力。实验仪器 Pentium PC机 、 EDA实验箱 各一台Quartus II 6.0软件实验内容Quartus II 6.0软件平台不仅有图形编辑器，还包含一个文本编辑器，该编辑器接受用硬件描述HDL编写的文本设计文件。要求采用VHDL语言设计四音频输出选择器并在EP1C3T144C8芯片上实现其功能。1 在Quartus平台下完成四音频输出选择器底层VHDL设计、输入、编译综合及仿真, 波形验证。四音频输出选择器原理图参见图5.1.1) 反相器,触发器,divider8分频器模块,2)二选一多路选择器,mux4to1四选一多路选择器模块2 完成四音频输出选择器顶层VHDL源程序设计、编辑、编译综合、仿真工作及引脚锁定（此文件与已设计好的底层文件应在同一文件夹中），并在EDA实验系统上进行下载及硬件测试，验证设计功能。 实验原理 图5.1给出了四音频输出选择器原理图。图5.1 四音频输出选择器原理图根据系统设计要求，采用层次化的VHDL的结构描述设计方法。系统顶层定义分频模块和四选一多路开关模块两个元件，采用元件例化语句完成结构描述。分频器产生四个音频信号由四选一多路开关的控制信号S1 S0的编码选择输出。分频器模块由三个D触发器和三个反相器组成，可采用生成语句描述；四选一多路开关由三个二选一多路开关组成,可用元件例化语句完成结构描述。下面给出了反相器、触发器、分频器、2选一多路选择器及4选一多路选择器的元件图。图5.2 反相器 图5.3 触发器 图5.4 分频器图5.5 2选一多路选择器 图5.6 4选一多路选择器内部结构 图5.7 4选一多路选择器实验步骤 一、设计反相器（一） 建立工作库文件夹和编辑设计文件1. 建立工作库文件夹利用Windows资源管理器新建一个文件夹，该文件夹建于D盘中，注意：文件夹名不能用中文，也最好不要用数字。2. 编辑VHDL源文件打开Quartus II，选择菜单FileNew。在New窗口中的Device Design Files中选择编译文件的语言类型 “VHDL File”，单击OK按钮，进入VHDL文本编辑窗口。输入反相器VHDL源程序。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity inv is port(a:in std_logic; y:out std_logic);end inv ;architecture one of inv isbeginy=not a;end one;3. 文件存盘完成输入后，选择FileSaves命令, 找到新建立的文件夹,将该VHDL文件存盘,存盘文件名应与实体名一致。假如我们设置的文件夹为D：quarsy5(此为路径与文件夹名), 反相器的文件名为inv (与程序实体名一致).4. 创建工程（1）当出现问句”Do you want to create”时,若单击“是”按钮，则直接进入创建工程流程，弹出New Project Wizard对话框。或选择菜单”FileNew Project Wizard, 弹出New Project Wizard对话框。第一栏已自动选定，第二栏输入inv的当前工程名字；第三栏同时显示inv。（2） 将设计文件加入工程中，单击下方的Next按钮，弹出Add Files对话框，单击AddAll按钮，将有关设计文件加入到当前工程中，在此，只须将源文件inv.vhd加入即可。（3） 选择目标芯片。单击Next按钮，选择目标芯片为： Cyclone系列 EP1C3T144C8。（4） 工具设置（选择综合器和仿真器）。单击当前对话框中的Next按钮，在弹出的EDA工具设置窗口EDA Tool Settings，有三个选择项，都选择设置为“NONE”（即不作任何打钩选择），表示都选Quartus II中自带的所有设计工具。（5） 结束设置。点击Next按钮后，弹出“工程设置统计”窗口，上面列出了此基本内容工程相关设置情况。点击Finish按钮，即完成了当前工程的创建。在左上边的Project Navigator窗口显示本工程项目的层次结构和各层次的实体名。（二） 编译(1) 选择FPGA目标芯片。目标芯片的选择也可以这样来实现：选择Assignments Settings项，在弹出的对话框中Category Device栏。首先选择目标芯片Cyclone系列，再选具体芯片 EP1C3T144C8。 选择配置器件的工作方式。单击Device器件选择窗口中的Device&Pin Options按钮，进入选择窗口在弹出的Device&Pin Options窗口, 首先选择General选项(见图5.8)。在General页的Options栏内选中Auto-restart configuration after error（在此项前的方格内打钩）, 使对目标芯片的配置失败后能自动重新配置,并加入JTAG用户编码。 选择配置器件和编程方式。如果希望对编程配置文件能在压缩后下载进配置器件中(当配置器件向Cyclone器件配置时, Cyclone器件能识别压缩过的配置文件,并能对其进行实时解压), 可在编译前做好设置。在Device&Pin Options窗口, 选择configuration选项(见图5.8), 在该页的Generate compressed bitstreans栏处选择打钩, 就能产生用于EPCS的POF压缩配置文件。 在该页的Configuration Scheme栏内选择Active Serial(AS)配置模式, 这种方式只对专用的Flash技术的配置器件进行编程； 选择配置器件为EPCS1：选择Use configuration Device栏(在该栏左边的方格内打钩),并在右边栏内选择EPCS1 图5。8 选择配置器件的工作方式 图5。9 选择配置器件和编程模式 (4) 编译选择主窗口的Processing菜单Start Compilation项，启动全程编译。注意观察工程管理窗口下方的Processing处理栏中的编译信息，双击该栏中的错误提示行，在弹出的VHDL文件中加以修改，反复如此，直到编译成功为止。（三） 仿真详细操作方法参考实验一、二。1 打开波形编辑器;2 设置仿真时间区域;3 将工程项目的信号节点加入波形编辑器中;4 激励信号设置;5 波形文件存盘;6 启动仿真器。点击主菜单ProcessinStart Simulation项开始仿真;7 观察仿真结果。（四）、 应用RTL观察图二、触发器设计步骤同上，要求编译通过。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity df isport(clk,d:in std_logic;q:out std_logic);end df;architecture rt1 of df isbeginprocess(clk)beginif(clkevent and clk=1)thenq=d;end if;end process;end rt1;三、分频器设计步骤同上，要求编译通过。divider8分频器模library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity divider8 isport(clk0: inout std_logic;clk1,clk2,clk3:buffer std_logic);end divider8 ;architecture arc of divider8 iscomponent invport(a:in std_logic;y: out std_logic);end component;component dfport(clk,d:in std_logic;q:out std_logic);end component;signal c:std_logic_vector(0 to 3);signal z:std_logic_vector(0 to 3);beging1:for i in 1 to 3 generateinvx:inv port map(c(i),z(i);dffx:df port map (c(i-1),z(i),c(i);end generate;c(0)=clk0;clk1=c(1);clk2=c(2);clk3=c(3);end arc;四、2选一、4选一多路选择器设计步骤同上，要求编译通过。mux2to1二选一多路选择器模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY mux2to1 ISPORT (a,b,s:IN STD_LOGIC;y:OUT STD_LOGIC);END mux2to1;ARCHITECTURE ONE OF mux2to1 ISBEGIN y=a WHEN s=0 ELSEb;END ONE;mux4to1四选一多路选择器模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity mux4to1 isport (i0,i1,i2,i3:IN STD_LOGIC; s0 :IN STD_LOGIC; s1 :IN STD_LOGIC; y :OUT STD_LOGIC);END mux4to1;ARCHITECTURE ART OF MUX4to1 ISCOMPONENT MUX2to1PORT (a,b,s:IN STD_LOGIC; y:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT; SIGNAL z:STD_LOGIC_vector(0 to 2);BEGINm1:MUX2to1 PORT MAP(i0,i1,s0,z(0);m2:MUX2to1 PORT MAP(i2,i3,s0,z(1);m3:MUX2to1 PORT MAP(z(0),z(1),s1,z(2);y=z(2);END ART;5)四音频输出信号选择器顶层模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity vfmux4to1 isport(clk0,s1,s0:in std_logic; y: out std_logic);end vfmux4to1;architecture arc of vfmux4to1 iscomponent divider8 port ( clk0:inout std_logic; clk1,clk2,clk3:buffer std_logic);end component;component mux4to1port(i0,i1,i2,i3,s1,s0:in std_logic;y:out std_logic);end component;signal z:std_logic_vector(0 to 3);beginvfm1:divider8 port map(z(0),z(1),z(2),z(3);mux:mux4to1 port map(z(0),z(1),z(2),z(3),s1,s0,y);z(0)=clk0;end arc;五、四音频信号输出选择器设计(顶层设计)步骤同上，要求编译、仿真通过，观察分析波形图，验证功能。 图5.10 四音频信号输出选择器波形图（五） 引脚锁定设置和下载 为了对模8环形计数器的设计进行下载及硬件测试，应将其输入输出信号锁定在芯片确定的引脚上，编译后下载。在EDA实验系统上进行硬件测试，完成最终设计与实现。1 打开需下载的工程项目管理器，并打开该工程项目管理器中已设计好的工程文件；2 选择Assignment菜单中的Assignment Editor项，进入Assignment Editor编辑窗口。在Category栏中选择Pin，或直接单击右上侧的Pin按钮；双击TO栏的new，在出现的下拉栏中分别选择本工程要锁定的端口信号名；然后双击对应的Location栏的new，在出现的下拉栏中选择对应端口信号名的器件引脚号(按下表给出的引脚号锁定)。3 存储引脚锁定的信息, 然后再编译（启动Start Compilation）一次。（六）、 配置文件下载首先将实验系统和USB-Blaster电缆连好，打开电源，再打开需下载的文件及工程项目。然后：1. 打开编程窗口、调入需下载的*.SOF文件, 在弹出窗口的Mode栏内，选择JTAG（默认）;2 . 选择 USB-Blaster电缆下载方式，检查硬件连接；启动STAR仿真。3 硬件测试 实验系统选择电路模式No.3。四音频信号选择器输入CLK0接实验箱CLOCK5，可在右下角跳线选择4096Hz或1024Hz，控制输入S1、S0接键2、键1 (琴键式功能),可用两手指(食指和中指)放在键1、键2上，产生“00”、“01”、 “10”、“11”控制信号，对应选择的音频信号由扬声器（蜂呜器）发出由高到低不同频率的声音。受蜂呜器发声频带的影响，有的差异不太明显。 实验报告要求写出本次实验的实验报告：1 四音频输出选择器层次化设计体现在哪儿？答：首先分别设计反相器,触发器,再合成设计成divider8分频器模块。其次设计mux2to1二选一多路选择器,再合成设计成mux4to1四选一多路选择器模块。最后将divider8分频器模块和m