电子科学与技术专业课实验_黄权_2011301809

1、组员：黄权 江飞 8011102班电子科学与技术专业课实验实 验 报 告班级 08011102 学号 2011301809 姓名 黄 权 2014 年 11 月 6 日实验一 组合逻辑半加器一 实验目的1设计一个组合逻辑半加器。2.掌握组合逻辑电路的静态测试方法。3.初步了解可编程逻辑器件设计的全过程。4.熟识quartusII软件基本功能的使用。二 实验原理半加器实现两位不带进位加法输出和及进位。一位半加器有两个输入a、b;两个输出s，Co。三.实现代码及原理图1.实验代码library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity half_adder i

2、sport(a,b: in std_logic;sum,cout: out std_logic);end half_adder;architecture half1 of half_adder issignal c,d:std_logic;beginc<=a or b;d<=a nand b;cout<=not d;sum<=c and d;end half1;2.实验原理图四.实验结果及波形分析1.仿真波形2.波形分析a.如图标记部分,在仿真波形图中任取两处为例进行分析:椭圆1处:输入a为0,b为1,输出进位Co为0,和S为1。椭圆2处:输入a为1,b为0,输出进位C

3、o为0,和S为1。由于分析部分为随意抽取，具有普遍性，且分析结果符合半加器性能，所以实验成功。b.图中,在输入a、b都是下降沿时,输出S的波形出现毛刺,根据数电中学过的知识可以知道:产生毛刺是由于信号在通过半加器内的连线和逻辑单元时,有一定的时延而产生冒险。实验二 组合逻辑3-8译码器的设计一、实验目的设计并实现一个组合逻辑3-8译码器。熟识quartus II软件基本功能的使用。二、实验原理常用的译码器有：2-4译码器、3-8译码器、4-16译码器，下面我们用一个3-8译码器的设计来介绍译码器的设计方法。3-8译码器如图1所示，其真值表如表1。图1 3-8译码器表1 3-8译码器真值表：输入

4、输出G1G2AG2BABCY0NY1NY2NY3NY4NY5NY6NY7N0XXXXX111111111000000111111110000110111111100010110111111000111110111110010011110111100101111110111001101111110110011111111110三、实验步骤 1、建立工程encode，新建VHDL文件输入以下代码保存为encode38.vhdl。打开encode38.vhdl文件，选择Fileà Creat/Updateà Creat Symbol Files for Current Files

5、 生成顶层符号文件。 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY decoder38 ISPORT(A, B,C,G1,G2A,G2B: INSTD_LOGIC;Y: OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END decoder38;ARCHITECTURE fun OF decoder38 ISSIGNAL indata: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINindata <= C&B&A;encoder:PROCESS (indata, G1, G2A,G2B

6、)BEGINIF (G1='1' AND G2A='0' AND G2B='0') THENCASE indata ISWHEN "000"=>Y<="11111110"WHEN "001"=>Y<="11111101"WHEN "010"=>Y<="11111011"WHEN "011"=>Y<="11110111"WHEN "1

7、00"=>Y<="11101111"WHEN "101"=>Y<="11011111"WHEN "110"=>Y<="10111111"WHEN "111"=>Y<="01111111"WHEN OTHERS =>Y<="XXXXXXXX"END CASE;ELSEY<="11111111"END IF;END PROCESS encoder

8、;END fun; 2、然后新建一个Block Diagramm/Schematic File 原理图文件，在空白处双击添加生成的顶层原理图，并连接input、output（输入输出管脚）重命名后如图2所示。保存文件encoder38.bdf。图2 3-8译码器原理图3、点击主工具栏上的图标进行半编译，完成后新建一个波形仿真文件FileàNewàVerification/Debugging FilesàVector Vaveform File.,然后在左边空白处双击左键添加仿真管脚。完成后添加激励信号的波形，首先使用鼠标选中一个信号（变蓝），利用左边工具添加仿真信

9、号，根据需要依次添加各个信号并保存。4、功能仿真选择ProcessingàSimulator Tool 在弹出对话框中在仿真模式中选择”Functional” 然后点击”Generate Functional Simulation Netlist”生成功能仿真的Netlist，完成后点击”Start”按钮开始仿真，完成后点击”Report”来查看仿真结果。如图3所示。图3 仿真结果四、实验分析根据仿真结果图可以看出，当不满足G1='1' ，G2A='0' ，G2B='0'时，译码器的输出全为1；当满足以上条件时，完成译码工作，即：当CB

10、A= "000"时，输出Y为 "11111110"（Y0为0）当CBA= "001"时，输出Y为 "11111101"（Y1为0）可见，经过仿真，该译码器完成了正常译码功能。实验三 四位寄存器一、 实验目的:1. 掌握寄存器的设计方法和设计思路；2. 熟悉VHDL语言和Quartus II 软件的使用。二、 设计原理: 单向四位寄存器输入有三个端口，分别为时钟clk，异步置位端r和4位数据输入端d(3 downo0)；一个4位输出端q(3 downto 0)。当r=1时，输出端q清零；当时钟的上升沿到来时，把数据送

11、到输出端，完成数据的寄存。三、设计VHDL源代码： library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity jcq is port( clk:in std_logic; r:in std_logic; d:in std_logic_vector(3 downto 0); q:out std_logic_vector(3 downto 0) );end jcq;architecture rtl of jcq is signal q_te

12、mp:std_logic_vector(3 downto 0); begin process(clk,r) begin if(r='1')then q_temp<="0000" elsif(clk'event and clk='1')then q_temp<=d; end if; q<=q_temp; end process;end rtl;四、生成的元件图 五、仿真波形与分析1.当r=1时：分析：r=1时，输出端被清零，从波形图可看出q在任意时刻始终为0.2.当r=0时:分析：当r=0时，数据输入端d对数据接收端q

13、的赋值并不是与时钟完全同步，而是有一定的错开，这是因为逻辑门总有一定的传输延迟导致的。经实验发现，如果时钟周期越大，则这种延迟越明显，当达到一定的临界值时，输入与输出完全不对称了。以下为时钟clk=100ns数据输入周期大于100ns的情形: 可见，数据输入端d基本上与与数据接收端错开了。实验四 单时钟同步十六进制加/减计数器的设计一、 实验目的：1. 掌握计数器的设计原理和方法；2. 理解双向计数器的工作原理；3. 熟悉VHDL语言的使用和编程思想。二、 设计原理：该计数器共有5个输入端，分别为时钟clk、使能端enable、置数端load、和4个预置数端d1，d2，d3，d4；2个中间信号

14、d和y，其中d接收d1,d2,d3,d4的数据，即d=(d1 & d2 & d3 & d4)；y作为临时计数变量。两个输出端口c和4位的q，其中c是进位输出，q是计数输出。当load=0，计数预置位y<=d；进位c<=0置零；当时钟上升沿到来且使能端enable=0时，允许计数。如果updown=0，进行加法计数，如果updown=1，进行减法计数；当时钟上升沿到来且使能端enable=1时，不计数而保持上一次的计数状态。三、设计的源代码： library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic

15、_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity ls191 is port(clk,enable,load,updown,d0,d1,d2,d3:in std_logic; c:out std_logic; q:out std_logic_vector(3 downto 0);end ls191;architecture rtl of ls191 issignal y,d:std_logic_vector(3 downto 0); beginprocess(clk,enable,load,updown) begin d<=d3&

16、d2&d1&d0; if(load='0')then y<=d; c<='0' elsif(clk'event and clk='1')then if enable='0' thenif updown='0' then if(y="1111")theny<="0000"c<='1' elsey <= y+1;c<='0' end if; elsif updown='1'

17、 then if(y="0000")theny<="1111"c<='1' elsey<=y-1;c<='0' end if; end if; elsif enable='1'then y<=y; end if; end if; end process; q <= y ;end rtl;四、生成的元件图五、仿真波形与分析1.加法计数器：预置数=5 ，updown=0 功能仿真和时序仿真分析：从波形图可以看出，计数器能够完成计数的功能，当计数加到满值时，进位输出c=1。另外

18、，在一些数值转换的中间，有一些计数跳变，这是逻辑门的竞争与冒险所导致的。2.减法计数器 预置数=12， updaown=1 功能仿真和时序仿真分析：从波形图可以看出，计数器能够完成计数的功能，当计数减到满值时，进位输出c=1。另外，在一些数值转换的中间，有一些计数跳变，这是逻辑门的竞争与冒险所导致的。综合实验 乘法累加电路一、 实验目的：1. 了解组合逻辑和时序逻辑的综合设计思想；2. 进一步巩固VHDL语言的编程思想；3. 掌握QuartusII 软件开发数字系统的流程。二、 设计原理:该电路有三个模块：8x8乘法器、16位加法器和16位D触发器；框图如下所示 三、 VHDL源代码如下: 1

19、. 顶层代码： library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all; entity top is port( a,b:in std_logic_vector(7 downto 0); clk,rst:in std_logic; accum:buffer std_logic_vector(15 downto 0) ); end top; architecture top_archi of top issignal multtmp:std_logi

20、c_vector(15 downto 0);signal addertmp:std_logic_vector(15 downto 0);component mult8x8 is port( a,b:in std_logic_vector(7 downto 0); clk:in std_logic; q:out std_logic_vector(15 downto 0) );end component;component adder is port( clk:in std_logic; add1,add2:in std_logic_vector(15 downto 0); sum:out std

21、_logic_vector(15 downto 0) );end component;component DTrigger is port( clk:in std_logic; d:in std_logic_vector(15 downto 0); q:out std_logic_vector(15 downto 0) );end component ; begin U1:mult8x8 port map(a=>a,b=>b,clk=>clk,q=>multtmp); U2:adder port map(add1=>multtmp,add2=>accum,c

22、lk=>clk,sum=>addertmp); U3:DTrigger port map(d=>addertmp,clk=>clk,q=>accum); end architecture top_archi;2. 8x8乘法器： library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_signed.all;entity mult8x8 is port( a,b:in std_logic_vector(7 downto 0); clk:in st

23、d_logic; q:out std_logic_vector(15 downto 0) );end mult8x8;architecture mult8x8_archi of mult8x8 is begin process(clk,a,b) variable a_reg,b_reg:signed(7 downto 0); variable mult_reg:signed(15 downto 0); begin if(clk'event and clk='1')then a_reg := signed(a); b_reg := signed(b); mult_reg

24、:= a_reg * b_reg; end if; q <= std_logic_vector(mult_reg); end process;end architecture mult8x8_archi;3. 16位加法器：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_signed.all;entity adder is port( clk:in std_logic; add1,add2:in std_logic_vector(15 downto 0); sum:out std_logic_vector(15 downto 0) );end adder;architecture adder_archi of adder is signal temp:signed(15 downto 0); begin process(clk,add1,add2) begin if(clk'event and clk='1&