EDA课程实验讲义

实验一 基本组合逻辑电路设计一、实验目的1. 熟悉Quartus 软件基本使用方法；2. 掌握电路的基本设计方法；3. 掌握电路的基本仿真方法；4. 掌握电路的基本下载方法。二、实验内容用VHDL语言和原理图分别完成设计、仿真和下载基本逻辑门电路半加器的过程：输入：a，b； 输出：求和sum，进位c；三、实验设备1. KH-31001 主机 ；2. KH-33001/2/3 下载板（或KH-33004 下载板 或KH-33005下载板）；四、实验步骤1. 新建文本文件 在Quartus 管理器界面中选择File/New., 菜单，出现New对话框，如图1.1所示。在对话框中选择VHDL File，点击OK，打开文本编辑器，输入半加器的VHDL语言程序，如图1.2所示。然后保存文件halfadd.vhd。需要注意的是，文件名与模块名必须一致。图1.1 Quartus 新建文本文件界面图1.2 输入半加器的VHDL语言程序图1.3保存文件2. 建立工程项目（1）在管理器窗口中选择File/New Project Wizard.菜单，出现新建项目向导New Project Wizard 对话框，输入项目目录（r:test）、项目名称（halfadd）和顶层实体（halfadd），如图1.4所示，顶层实体名可以与项目名不同。图1.4 建立工程项目（2）点击Next,添加文件对话框。点击按钮“”，添加与该项目有关的所有文件到当前项目，如图1.5所示。本例只有一个文件halfadd.vhd，所以不用添加其它器件。图1.5图1.6图1.7 添加项目有关的文件（3）点击Next按钮，再点击Next选择目标器件系列ACEX1K，选择目标器件封装形式，引脚数目和速度级别。如图1.8所示,点击NEXT。图1.8 选择目标器件（4）点击FINISH按钮，项目halfadd出现在项目导航窗口中，如图1.9所示。双击文件名，即可打开文件。图1.9 打开文件3. 编译并综合 选择菜单ProcessingStart Complition或直接点击工具栏中编译快捷按钮开始编译。编译过程中，状态窗口显示编译进度的百分比和每个阶段所花费的时间。信息窗口显示所有信息，警告和错误，双击某个信息项，可以定位到原设计文件并高亮显示。编译完成后将产生一个编译报告栏，编译结果在编译报告栏中自动更新，如图1.10所示。报告栏包含了将一个设计适配到器件的所有信息。选中某一项可获得更详细的信息。如编译有错误，需要修改设计进行，并重新编译。信息窗口编译快捷键图1.10编译并综合文件 4. 设计仿真（1）新建仿真波形文件.vwf 选择菜单File/New.,在New对话框中选择Other Files/Vector Waveform File,出现空的仿真波形文件。将文件保存为halfadd.vwf。如图1.11所示：图1.11 打开仿真波形文件（2）加入节点 选择菜单Edit /Insert Node or Bus.,在Insert Node or Bus对话框中点击按钮Node Finder,先在Filter项里选择Pins:all，然后点击List,如图1.12所示：图1.12 列出仿真节点点击“”（全部选中）或“”（一个一个加入）选择要仿真节点，“”和“”删除所选节点。点击OK，加入节点。如图1.13所示：图1.13 选择仿真节点（3）确定仿真时间 选择菜单Edit/End Time.,可以调整最大仿真时间。本例使用200ns，如图1.14所示；选择菜单EditGrid Size.,可以修改网格大小，通常用网格大小表示信号状态的基本维持时间，本例输入5ns，如图1.15所示。图1.14 确定仿真结束时间图1.15 修改网格大小（4）编辑激励波形 编辑激励波形时，先选中Name栏的一个节点，然后单击图形工具菜单中的赋值快捷键，根据要求编辑波形（如图1.16）。编辑好后，点击工具栏中按钮，重新进行编译。图1.16 编辑激励波形（4）运行仿真器 编译完成后选择Processing Start Simulation菜单，或点击工具栏中的仿真快捷键按钮运行仿真器，波形如图1.17所示。如果仿真结果有错误，需要修改设计并重新编译仿真。 图 1.17 编译仿真（5）管脚的分配与定位 选择Assignment Pins菜单，打开引脚分配窗口，如图1.18所示。进行管脚分配：下面以33001下载板为例进行管脚分配：输入a设置为引脚pin7，输入b设置为引脚pin8，分别对应SW3的IO1和IO2；输出sum设置为引脚pin39，输出c设置为引脚pin40,分别对应KH-310主板LED区D1和D2两个LED，如下图： 图 1.18管脚的分配与定位分配完成后需要重新编译。选择菜单ProcessingStart Complition或直接点击工具栏中编译快捷按钮开始编译。(6)硬件连接将PC的并口和下载板的JTAG,PS（Passive serial）通过Altera的下载线连接起来。RESET是FPGA芯片复位按键；TDO，TDI是目标器件选择短路夹，两个短路夹都接FO，FI时对FPGA配置，接EO，EI时对EPC2配置；配置开关控制EPC2对FPGA进行配置；该下载板支持JTAG、PS（Passive serial）（Quartus II支持）两种配置方式。（7）器件下载编程与硬件实现 选择ToolsProgrammer菜单，如图1.19所示。请注意在Hardware setup右边显示的是当前采用的烧录设备，应该是“ByteBlasterMV（LPT1）”。如果不是，点击“Hardware setup”按钮，如图1.20所示,在弹出的对话框中点击“Add”按钮，则又会弹出一个对话框，选择含有“ByteBlasterMV”的项添加就可以指定烧录设备为“ByteBlasterMV（LPT1）”。在Mode栏中选择JTAG下载方式，选中Program/Configure选项。设置好以后，连接下载电缆，点击窗口中Start按钮开始下载。图1.19 器件下载编程图1.20 器件硬件实现（8）编程后的硬件测试 下载完成后，改变输入端口a，b的电平值，观察LED的输出变化，验证半加器的功能。5. 用原理图设计半加器（1）选择菜单File New.中Block DiagramSchematic File打开模块编辑器。如图1.21所示。图1.21 模块编辑器（1） 添加模块：点击右键，选择Insert/Symbol,在Name中输入xor现异或门，如图1.22所示，点击ok拖入图中。同样输入AND2将与门加入图中；输入input,output加入输入输出。图1.22 添加模块（3）连线将输入输出改名为a,b,sum,c，并连线。当鼠标位于一个符号引脚上或图表模块边沿时连线工具变为十字形，移动鼠标，选择开始点，按住左键拖动鼠标至结束点放开。如图1.23所示。图1.23 连线并修改名称（2） 保存文件为halfadd.bdf并将其设为顶层文件。接着就对原理图进行编译、仿真、下载和验证，步骤同文本编辑方式，请参考上面步骤。实验二 3-8线译码器的设计一、实验目的 1、熟悉QuartusII的开发流程。2、掌握QuartusII文本输入的设计方法。3、理解3-8译码器的设计思路。二、设计原理 3-8译码器有使能控制输入端ENA和3线地址输入端分别为C、B和A，ENA=1时译码器不能工作，8线输出Y70=（译码器的输出有效电平为低电平）；当ENA=0时，译码器工作。，当CAB=000时，Y70=（即Y0=0）；当CBA=001时，Y70=(即Y1=0；依此类推。三、实验代码四、3-8译码器的电路仿真图实验三 下降沿有效的JK触发器设计一、实验目的1、熟练掌握JK触发器的结构原理。2、掌握CASE语句的使用。二、设计原理JK触发器有数据输入端J、K，CLR是复位控制输入端，当CLR=0时，触发器的状态被置0，当CLR=1时，其特性见下表。CLKJ K QnQn+1下降沿下降沿下降沿下降沿下降沿下降沿下降沿下降沿0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 101001110三、实验代码。四、JK触发器仿真波形图。实验四 跑马灯设计一、实验目的1. 学习状态机的设计技巧；2. 掌握CASE语句的使用。二、实验内容 控制8个LED进行花式显示，设计四种显示模式：1. 从左到右逐个点亮LED；2. 从右到左逐个点亮LED；3. 从两边到中间逐个点亮LED；4. 从中间到两边逐个点亮LED。 四种模式循环切换，由复位键rst控制系统的运行与停止。三、实验原理S0：从左到右逐个点亮LEDS1：从右到左逐个点亮LEDS2：从两边到中间逐个点亮LEDS3：从中间到两边逐个点亮LED图4.1可用移位寄存器来控制逐个点亮LED的操作，移位的频率为1Hz。四、实验设备1. KH-31001 主机；2. KH-33001 下载板（或KH-33002或KH-33003或KH-33004或KH-33005 下载板）。五、实验步骤 KH-33001KH-33005下载板:1. 硬件连线部分: KH-31001 LED DISPLAY 模块处右侧12p3的短路夹接到JP271端（下侧）。2. 将配套的KH-310 出货光盘打开，将“实验程序”文件夹复制到“我的电脑”的D盘上，并将其对应于下载板型号的压缩文档，解压缩到“实验程序”文件夹内，例如下载板型号为KH-33005,则将KH-33005压缩文件，解压到D盘的“实验程序”文件夹内。（KH-33001/2/3下载板型号的区分主要看芯片的型号，EP1K30Q为KH-33001下载板，EP1K50Q为KH-33002下载板，EP1K100Q为KH-33003下载板）。3 软件执行模式及KH-31001主机负载区硬件操作步骤： JTAG 连接方式下：A. 下载方式： 将下载板KH-33001/2/3（或KH-33004 或KH-33005 下载板)插到主机KH-31001的下载板接口区。 连接主机的电源线。连接下载线，将下载线并口一端与电脑相连，另一端与下载板的JTAG口相连，IC1芯片(若是KH-33001/2/3芯片则为U1)右侧的两个短路夹JP9,JP10 (KH-33001/2/3为TDO,TDI)分别接到F0端和F1端。 打开主机电源。 打开Quartus 软件，若用户此时没有申请license，则会出现如图1 所示的界面，会提示您此时正处于试用期和剩余天数。选择第一项“Run the Quartus software ”然后点击OK。会出现如图2 所示的界面，点击确定后，即可进行下面的步骤。 图 1 图 2 选择菜单Tools 下的 Programmer 选项或者直接点击桌面上的快捷键，打开如图3所示的下载界面。Mode 栏 中选择JTAG 方式。 图 3 下载界面 点击左栏中Add File 选项，在弹出的对话框依如下路径：我的电脑D盘实验程序文件夹KH-33001(或KH-33002或KH-33003 或KH-33004或KH-33005)文件04 ledled.sof，选中，打开。如图4 所示。 图 4 选择sof 文件对话框 在下载页面中Program/Configure 选项下的小方框中打对勾选中。 点击Start 按钮开始下载，下载程度会在Progress 中显示。如图5所示。 图 5 下载过程界面 将KH-31001主机下侧 PULSE &CLOCK GENERATOR 单元 旋转指拨开关SW7(蓝色)拨置第二段10Hz处，24 BIT DIP SW 模块的SW3的I01拨置ON的位置，程序开始运行，LED DISPLAY 单元LED灯会有显示。B. 烧录方式： 将下载板KH-33001/2/3( KH-33004 或KH-33005 下载板)插到主机KH-31001的下载板接口 区。 连接主机电源线。连接下载线，将下载线并口一端与电脑相连，另一端与下载板的JTAG口相连，IC1芯片(若是KH-33001/2/3芯片则为U1)右侧的两个短路夹JP9,JP10 （KH-33001/2/3下载板为TDO,TDI）分别接到E0端和EI端。 打开主机电源。 打开Quartus 软件。若此时用户没有申请liscense,可参照JTAG连接方式下A .下载方式的第步来进行。 选择菜单Tools 下的 Programmer 选项或者直接点击桌面上的快捷键，打开如图6所示的下载界面。Mode 栏 中选择JTAG 方式。 图6 下载界面 点击左栏中Add File 选项，在弹出的对话框中依如下路径：我的电脑D盘实验程序文件夹KH-33001(或KH-33002或KH-33003 或KH-33004或KH-33005)文件04 LedLed.pof，选中，打开,如图7所示。 图 7 选择 .pof 文件对话框（ 若在打开pof 文件的过程中 出现如下图（1）所示的对话框， 图（1）请按如下步骤操作：打开Quartus 软件File 菜单下选择open project 选择对应文件的带有如下标志 的.qpf 文件，打开。会出现VHDL语言程序（或Verilog HDL语言程序）文件界面点击工具栏中在弹出的对话框中点击如下图（2）所示的Device 点击Family旁边的 Device & Pin Options在弹出的对话框中点击Configuration 选项。 图 （2）出现如下图（3）所示的对话框，在configuration scheme 旁方框的下拉菜单中选择下图所示的选项Passive Serial (can use Configuration Device )。在Use Configuration device 栏中选择EPC2，点击确定。 图 （3）点击OK 重新对文件进行编译，点击工具栏中的。编辑完成后，再回到步骤按顺序进行操作。） 在下载页面中Program/Configure 选项下的小方框中打对勾选中。 点击开始按钮Start，进行烧录，程序会首先进入到EPC2芯片中。 烧录完成后，将下载板上红色指拨开关（KH-33001/2/3为J5,KH-33004和KH-33005下载板为SWITCH ）全部置于ON的位置。 点击下载板下方的RESET 按钮(KH-31001/2/3下载板为下载板右侧的S1按钮)，程序由EPC2进入到FPGA 芯片中。 将KH-31001主机下侧 PULSE &CLOCK GENERATOR 单元 旋转指拨开关SW7(蓝色)拨至第二段10Hz处，24 BIT DIP SW 模块的SW3的I01拨置ON的位置，程序开始运行，LED DISPLAY 单元LED灯会有显示