北邮数电VHDL实验报告

2009级数字电路实验报告实验名称： EDA基础实验学生姓名： 班 级： 班内序号： 学 号： 日 期： 1.实验要求【实验目的】1.熟悉用QuartusII原理图输入法进行电路设计和仿真；2.掌握QuartusII图形模块单元的生成与调用；3.熟悉用VHDL语言设计组合逻辑电路和时序电路的方法；4.熟悉用QuartusII文本输入法和图形输入法进行电路设计；5.熟悉不同的编码及其之间的转换；6.掌握触发器的逻辑功能及使用方法；7.熟悉计数器、寄存器、锁存器、分频器、移位寄存器的设计方法8.掌握VHDL语言的语法规范，掌握时序电路描述方法；9.掌握多个数码管动态扫描显示的原理及设计方法。【实验所用仪器及元器件】 1.计算机 2.直流稳压电源 3.数字系统与逻辑设计实验开发板【实验内容】 1.用逻辑门设计实现一个半加器，仿真验证其功能，并生成新的半加器图形模块单元。 2.用实验内容1中生成的半加器模块和逻辑门设计实现一个全加器，仿真验证其功 能，并下载到实验板测试，要求用拨码开关设定输入信号，发光二极管显示输出信 号。 3.用3线-8线译码器（74LS138）和逻辑门设计实现函数F，仿真验证其功能，并下 载到实验板测试。要求用拨码开关设定输入信号，发光二极管显示输出信号。 4.用VHDL语言设计实现一个3位二进制数值比较器，仿真验证其功能，并下载到实 验板测试。要求用拨码开关设定输入信号，发光二极管显示输出信号。 5.用VHDL语言设计实现一个4选1的数据选择器；一个8421码转换为格雷码的代码 转换器；一个举重比赛裁判器；一个带同步置位和同步复位功能的D触发器；一个 带异步复位的4位二进制减计数器；一个带异步复位的8421码十进制计数器；一 个带异步复位的4位自启动环形计数器；一个带控制端的8位二进制寄存器，当控 制端为1时，电路正常工作，否则输出为高阻态；一个分频系数为12，分频输 出信号占空比为50%的分频器。仿真验证其功能，并下载到实验板测试。要求用拨 码开关和按键开关设定输入信号，发光二极管显示输出信号。（注：有几个不需要 下载到实验板测试）2.程序分析全加器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY h_adder IS PORT(a,b:IN STD_LOGIC; co,so:OUT STD_LOGIC);END ENTITY h_adder;ARCHITECTURE a OF h_adder ISBEGIN so= a XOR b; coain,b=bin,co=d,so=e); u2:h_adder port map(a=e,b=cin,co=f,so=sum); coutB)THEN YA=1;YB=0;YC=0; ELSIF(AB)THEN YA=0;YB=1;YC=0; ELSE YA=0;YB=0;YC=1; END IF; END PROCESS;END behave;将比较的过程直接交给软件本身，只需通过不同的二进制数输出比较的结果即可。4选1数据选择器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY GKY07P5 IS PORT(G,A1,A0:IN STD_LOGIC; D0,D1,D2,D3:IN STD_LOGIC; Y,YB:OUT STD_LOGIC);END GKY07P5;ARCHITECTURE behave OF GKY07P5 IS SIGNAL comb:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGIN combY=D0;YBY=D1;YBY=D2;YBY=D3;YBY=0;YB=1; END CASE; ELSE Y=0;YB=1; END IF; END PROCESS;END behave;主要是WHEN语句的运用，用两位二进制数表示四种数据输出状态，再用WHEN语句具体实现。8421码转换为格雷码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY GKY07P6 IS PORT(A:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); B:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END GKY07P6;ARCHITECTURE behave OF GKY07P6 ISBEGIN PROCESS(A) BEGIN B(3)=A(3); B(2)=A(3) XOR A(2); B(1)=A(2) XOR A(1); B(0) b b b b b b b b = 111; END CASE; END PROCESS;END;与前几题不同，这个更偏向应用。列出实际情况的状态表，发现三个裁判的不同判断各对应红黄绿灯的亮灭情况，故还是WHEN语句的应用。D触发器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY GKY07P8 IS PORT(d,clk,set,reset:IN STD_LOGIC; q,qb:OUT STD_LOGIC);END GKY07P8;ARCHITECTURE struc OF GKY07P8 ISBEGIN PROCESS(clk,set,reset) BEGIN IF set=0 AND reset=1 THEN q=1;qb=0; ELSIF set=1 AND reset=0 THEN q=0;qb=1; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THEN q=d;qb=NOT d; END IF; END PROCESS;END struc; 和书上的例子基本一样，只是同步置位和同步复位都跟随时间脉冲的变化。4位二进制减计数器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P9 IS PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END GKY07P9;ARCHITECTURE struc OF GKY07P9 IS SIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clkEVENT AND clk=1)THEN IF reset=0THEN q_temp=1111; ELSIF q_temp=0000 THEN q_temp=1111; ELSE q_temp=q_temp-1; END IF; END IF; END PROCESS; q=q_temp;END struc;从状态1111到状态0000，然后再跳回1111。异步复位不需要跟随脉冲变化，要立即复位。8421码十进制计数器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P10 IS PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END GKY07P10;ARCHITECTURE struc OF GKY07P10 IS SIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clkEVENT AND clk=1)THEN IF reset=1THEN q_temp=0000; ELSIF q_temp=1001THEN q_temp=0000; ELSE q_temp=q_temp+1; END IF; END IF; END PROCESS; q=q_temp;END struc; 从状态0000到状态1001，然后再跳回0000，异步复位要立即复位。4位环形计数器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY GKY07P11 IS PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC; countout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END GKY07P11;ARCHITECTURE behave OF GKY07P11 IS SIGNAL nextcount: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(clk,reset) BEGIN IF RESET=1 THEN nextcount nextcount nextcount nextcount nextcount=0001; END CASE; END IF; END PROCESS; countout=nextcount;END behave;计数状态在0001，0010，0100，1000四个之间转换，由于需要能够自启动，对别状态的处理是全部引到那四个计数状态上。8位二进制寄存器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY GKY07P12 IS PORT(d:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); oe,clk:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END GKY07P12;ARCHITECTURE struc OF GKY07P12 IS SIGNAL temp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(clk,oe) BEGIN IF oe=1 THEN IF clkEVENT AND clk=1 THEN temp=d; END IF; ELSE temp=ZZZZZZZZ; END IF; q=temp; END PROCESS;END struc;和书上的例子基本一样，将低电平控制改成高电平控制即可。分频器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P13 IS PORT(clk,clear:IN STD_LOGIC; clk_out:OUT STD_LOGIC);END GKY07P13;ARCHITECTURE struc OF GKY07P13 IS SIGNAL temp:INTEGER RANGE 0 TO 11;BEGIN p1:PROCESS(clear,clk) BEGIN IF clear=0 THEN temp=0; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THEN IF temp=11 THEN temp=0; ELSE temp=temp+1; END IF; END IF; END PROCESS p1; p2:PROCESS(temp) BEGIN IF temp6 THEN clk_out=0; ELSE clk_out=1; END IF; END PROCESS p2;END struc;很重要的一个器件，但是设计难度并不很高，首先是模为12的计数，然后是占空比50%。数码管串行扫描电路：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P14 IS PORT(clk,clear:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); countout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);END GKY07P14;ARCHITECTURE behave OF GKY07P14 IS SIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); SIGNAL cnt:INTEGER RANGE 0 TO 5;BEGIN p1:PROCESS(clk) BEGIN IF(clkEVENT AND clk=1)THEN IF(cnt=5)THEN cnt=0; ELSE cnt=cnt+1; END IF; END IF; END PROCESS; p2:PROCESS(cnt) BEGIN IF(clear=0)THEN countcount=101111;q_tempcount=110111;q_tempcount=111011;q_tempcount=111101;q_tempcount=111110;q_tempcount=011111;q_temp=1111110; END CASE; END IF; END PROCESS; countout=count; q=q_temp;END behave; 先用05六进制计数器产生六个计数状态，这六个状态同时决定二极管点亮的数字和数码管接通的电路，在时钟信号频率很高的时候可以同时显示05六个数字。只是在下载到实验板的时候与芯片的各个引脚一定要对应，不然容易达不到实验要求。数码管滚动显示电路：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P14 IS PORT( clk,clear:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); countout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);END GKY07P14;ARCHITECTURE behave OF GKY07P14 IS SIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); SIGNAL cnt,cnt1:INTEGER RANGE 0 TO 5; SIGNAL tmp:INTEGER RANGE 0 TO 1999; signal clk1:STD_LOGIC;BEGIN p0:PROCESS(clk,clear) BEGIN IF clear=0 THEN tmp=0; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THEN IF tmp=1999 THEN tmp=0; ELSE tmp=tmp+1; END IF; END IF; END PROCESS p0; p1:PROCESS(tmp) BEGIN IF clkEVENT AND clk=1 THEN IF tmp1000 THEN clk1=0; ELSE clk1=1; END IF; END IF; END PROCESS p1; p2:PROCESS(clk) BEGIN IF(clkEVENT AND clk=1)THEN IF(cnt=5)THEN cnt=0; ELSE cnt=cnt+1; END IF; END IF; END PROCESS p2; p3:PROCESS(clk1) BEGIN IF(clk1EVENT AND clk1=1)THEN IF(cnt1=5)THEN cnt1=0; ELSE cnt1=cnt1+1; END IF; END IF; END PROCESS p3; p4:PROCESS(cnt,cnt1) BEGIN IF(clear=0)THEN q_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_temp=0000000; END CASE; END IF; END PROCESS p4; q=q_temp; p5:PROCESS(cnt) BEGIN IF(clear=0)THEN countcountcountcountcountcountcountcount=111111; END CASE; END IF; END PROCESS p5; countout=count;END behave; LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY GKY07P14 IS PORT( clk,clear:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); countout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);END GKY07P14;ARCHITECTURE behave OF GKY07P14 IS SIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); SIGNAL cnt,cnt1:INTEGER RANGE 0 TO 11; SIGNAL tmp:INTEGER RANGE 0 TO 1999; signal clk1:STD_LOGIC;BEGIN p0:PROCESS(clk,clear) BEGIN IF clear=0 THEN tmp=0; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THEN IF tmp=1999 THEN tmp=0; ELSE tmp=tmp+1; END IF; END IF; END PROCESS p0; p1:PROCESS(tmp) BEGIN IF clkEVENT AND clk=1 THEN IF tmp1000 THEN clk1=0; ELSE clk1=1; END IF; END IF; END PROCESS p1; p2:PROCESS(clk) BEGIN IF(clkEVENT AND clk=1)THEN IF(cnt=11)THEN cnt=0; ELSE cnt=cnt+1; END IF; END IF; END PROCESS p2; p3:PROCESS(clk1) BEGIN IF(clk1EVENT AND clk1=1)THEN IF(cnt1=11)THEN cnt1=0; ELSE cnt1=cnt1+1; END IF; END IF; END PROCESS p3; p4:PROCESS(cnt,cnt1) BEGIN IF(clear=0)THEN q_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_tempq_temp=0000000; END CASE; END IF; END PROCESS p4; q=q_temp; p5:PROCESS(cnt) BEGIN IF(clear=0)THEN countcountcountcountcountcountcountcount=111111; END CASE; END IF; END PROCESS p5; countout=count;END behave; 基本思路和串行显示类似，只是需要做到显示数字不断变化，因此先