可编程ASIC技术课程作业.doc

可编程ASIC技术课程作业1 请对下列Verilog HDL模块进行仿真和分析，说明其描述方式，画出对应的逻辑图或写出逻辑表达式（组），并概括地说明其逻辑功能。module exe1(out, d3, d2,d1,d0, s1,s0);output out;input d3, d2,d1,d0, s1,s0;not (not_s1,s1), (not_s0,s0);and (out0, d0, not_s1, not_s0), (out1, d1, not_s1, s0);and (out2, d2, s1, not_s0), (out3, d3, s1, s0);or (out, out0, out1, out2, out3);Endmodule答：该程序逻辑功能为，根据不同的s1和s0，输出通道改变： （1） 当s1=0，s0=0时，out0=d0；（2） 当s1=0，s0=1时，out1=d1； （3） 当s1=1，s0=0时，out2=d2； （4） 当s1=1，s0=1时，out3=d3；逻辑表达式组为：out0=S1S0d0 out1=S1S0d1 out2=S1S0d2out3=S1S0d3out=out0+out1+out2+out3 实现的逻辑功能为典型的数据通道选择器。2.请对下列Verilog HDL模块进行仿真和分析，用时序波图形或流程框图描述其行为，并概括地说明其逻辑功能。如果要使输出fd_out的占空比为50%，需要对该模块做什么修改？module exe2(fd_out, clk, d, clr);output fd_out;reg fd_out;input 15:0 d;input clk, clr;reg 15:0 cnt;always (posedge clk)beginif (!clr) cnt = 4h0000;elsebegincnt = cnt - 1;if (cnt=0) begin fd_out = 1; cnt = d; endelse fd_out = 0;endendEndmodule（1）原程序时序波形图：该程序实现的是可变模的减法计数器，输出的是每当到达设定模值就输出1，相当于对设定模进行检测。（2）要使输出fd_out的占空比为50%，对该模块做出如下修改：module exe2(fd_out, clk, d, clr);output fd_out;reg fd_out;input 15:0 d;input clk, clr;reg 15:0 cnt;always (posedge clk)beginif (!clr) cnt = 4h0000;elsebegincnt = cnt - 1;if (cnt=0) begin fd_out = 1; cnt = 1; endelse fd_out = 0;endendEndmodule修改程序后的时序波图：3. 请对下列Verilog HDL模块进行仿真和分析，写出对应的逻辑表达式（组）或真值表，并概括地说明其逻辑功能。module exe3(op_result, func_sel, op_a, op_b);output 7:0 op_result;input 2:0 func_sel;input 3:0 op_a, op_b;reg 7:0 op_result;always (func_sel or op_a or op_b)begincase (func_sel)3b000:op_result = op_a + op_b;3b001:op_result = op_a - op_b;3b010:op_result = op_a * op_b;3b011:op_result = op_a / op_b;3b100:op_result = op_a & op_b;3b101:op_result = op_a | op_b;3b110:op_result = op_a op_b;3b111:op_result = op_a op_b;endcaseendEndmodule原程序的时序波图：该程序逻辑功能为：(1) 当fun_sel=000时，op_result = op_a + op_b；(2) 当fun_sel=001时，op_result = op_a - op_b；(3) 当fun_sel=010时，op_result = op_a * op_b；(4) 当fun_sel=011时，op_result = op_a / op_b；(5) 当fun_sel=100时，op_result = op_a & op_b；(6) 当fun_sel=101时，op_result = op_a | op_b；(7) 当fun_sel=110时, op_result = op_a op_b；(8) 当fun_sel=111时, op_result = op_a op_b；由此可知，该段程序实现的功能是:根据不同的输入选择信号（000,001,010,011,100,101,110,111），对于两个四位二进制数进行加、减、乘、除、与、或、异或、同或运算。4. 请用持续赋值语句，设计一个可实现带使能端（E=1使能）的双4选1数据选择器的Verilog HDL模块。module exe4(outa,outb,in1,in2,in3,in4,in5,in6,in7,in8,sel1,sel2,en); input in1,in2,in3,in4,in5,in6,in7,in8,en; output outa,outb; input sel1,sel2; wire outa,outb;reg r_outa,r_outb;assign outa=r_outa;assign outb=r_outb;always (en)if(en)beginr_outa=sel1?(sel2?in4:in3):(sel2?in2:in1); r_outb=sel1?(sel2?in8:in7):(sel2?in6:in5);end Endmodule原程序的时序波图：5请用Verilog HDL或VHDL，设计一个功能和引脚与74138类似的译码器，并在Quartus下对其进行仿真验证。module exe5(out, in,en);output7:0 out;/*定义八位二进制码输出口*/input2:0 in;/*定义三位二进制码输入口*/input2:0 en;/*三个使能端*/reg7:0 out;always (in or en) begin if(en=3b100) case(in) 3d0: out=8b11111110; 3d1: out=8b11111101; 3d2: out=8b11111011; 3d3: out=8b11110111; 3d4: out=8b11101111; 3d5: out=8b11011111; 3d6: out=8b10111111; 3d7: out=8b01111111; endcase else out=8b11111111; endEndmodule原程序的时序波图：6请用Verilog HDL或VHDL，设计一个可同步预置、异步清零的8位移位寄存器，并在Quartus下对其进行仿真验证。moduleexe6(out,in,reset,set,clk);output7:0out;/定义四位输出端inputin,reset,set,clk;/输入信号、清零端、置数端、时钟信号reg7:0out;reg7:0md;/置数寄存器always(posedgeclk)beginbeginmd=8b11111111;end/这里预置数为11111111，可以根据需要更改 if(reset)beginout=0;endelsebeginif(set)beginout=md;end/置数信号为1，置数elsebeginout=out,in;endendendEndmodule原程序的时序波图：7 请用Verilog HDL或VHDL，设计一个上升沿触发的可预置、可清零的256进制计数器，并在Quartus下对其进行仿真验证。如果要将其改为60进制计数器，应对该设计做哪些修改？module exe7(Q,en,clock,clear,S);output 7:0Q;input 7:0S;input en,clock,clear;reg7:0Q;always (posedge clock) begin if (clear=0) begin Q=8b00000000; end else if(en=1) begin Q=S; end else begin Q=Q+1b1; end endendmodule原程序的时序波图：8请使用Verilog HDL，分别用结构描述、数据流描述、行为描述三种方式，设计一个8位可级联加法器（有进位输入、进位输出），并比较上述三种描述方式各自的优缺点。答：（1）结构描述module exe8_1(a,b,cin,sum,cout); input cin; input2:0 a,b; output cout;output 2:0 sum; wire m1,m2,m3; and (m1,a,b),(m2,b,cin),(m3,a,cin); assign sum=a+b+cin;or(cout,m1,m2,m3); endmodule（2）数据流描述moduleexe8_2(a,b,cin,sum,cout);inputcin;input2:0a,b;output2:0sum;outputcout;assigncout,sum=a+b+cin;endmodule（3）行为描述moduleexe8_3(cout,sum,a,b,cin);output2:0sum;outputcout;input2:0a,b;inputcin;reg2:0sum;regcout;always(aorborcin)begincout,sum=a+b+cin;endendmodule9请利用状态机设计一个序列检测器，该检测器在输入序列为“1001”时输出为1，其他情况下输出为0。请画出状态转移图，并用Verilog HDL进行设计和仿真。module exe9(out,in,clk,reset); output out;/*结果输出端*/ input in;/*串行输入的数据*/ input reset,clk;/*清零信号、时钟信号*/ reg out; reg3:0 S,NS; parameter S0=3b000,S1=3b001,S2=3b010,S3=3b011,S4=3b100,S5=3b101,S6=3b110,S7=3b111;/*状态编码*/ always(posedge clk or negedge reset)/*根据输入信号更新状态*/ begin if(!reset) S=S0; else S=NS; end always(S or in)/*根据输入，锁存记忆输入信号*/ begin case(S) S0: if(in) NS=S1; else NS=S0; S1: if(in) NS=S3; else NS=S2; S2: if(in) NS=S5; else NS=S4; S3: if(in) NS=S7; else NS=S6; S4: if(in) NS=S1; else NS=S0; S5: if(in) NS=S3; else NS=S2; S6: if(in) NS=S5; else NS=S4; S7: if(in) NS=S7; else NS=S6;endcase end always(S or reset or in) /*输出对应的结果*/ begin if(!reset) out= 0; else if(S = S4) if(NS=S1) out= 1; else out= 0; else out= 0; end Endmodule原程序的时序波图：10请设计一个加法器，实现sum=a0+a1+a2+a3，a0、a1、a2、a3宽度都是8位。如用下面两种方法实现，哪种方法更好一些（即速度更快 and/or 资源更省）。（1）sum=(a0+a1)+a2)+a3（2）sum=(a0+a1)+(a2+a3)答：第一种方法速度更快一些(10_1)moduleexe10_1(sum,cout,cout1,cout2,a0,a1,a2,a3,cin,clk);output7:0sum;outputcout1,cout2,cout;input7:0a0,a1,a2,a3;inputcin,clk;reg7:0S1,S2,sum;regcout1,cout2,cout;always(posedgeclk)begincout1,S1=a0+a1+cin;endalways(posedgeclk)begincout2,S2=S1+a2;endalways(posedgeclk)begincout,sum=S2+a3;endendmodule(10_2)moduleexe10_2(sum,cout,cout1,cout2,a0,a1,a2,a3,cin,clk);output7:0sum;outputcout1,cout2,cout;input7:0a0,a1,a2,a3;inputcin,clk;reg7:0S1,S2,sum;regcout1,cout2,cout;always(posedgeclk)begincout1,S1=a0+a1+cin;endalways(posedgeclk)begincout2,S2=a2+a3;endalways(posedgeclk)begincout,sum=S1+S2;endendmodule11 请用流水线技术对上例中的sum=(a0+a1)+a2)+a3的实现方式进行优化，对比最高工作频率，并分析说明流水线设计技术为何能提高数字系统的工作频率？moduleaddder8_3(cout1,cout2,cout3,sum,a1,a2,a3,a4,cin,clk);output7:0sum;outputcout1,cout2,cout3;input7:0a1,a2,a3,a4;inputcin,clk;reg7:0sum,sum1,sum2;regcout1,cout2,cout3,firstc,secondc,thirdc;reg3:0tempa1,tempa2,tempa3,tempb1,tempb2,tempb3,firstsum,secondsum,thirdsum;always(posedgeclk)beginfirstc,firstsum=a13:0+a23: