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：桂柯易班级：2009211120班内序号：07学号：09210580日期:2011年4月28日实验要求【实验目的】熟悉用Quartusll原理图输入法进行电路设计和仿真；掌握Quartusll图形模块单元的生成与调用；熟悉用VHDL语言设计组合逻辑电路和时序电路的方法；熟悉用Quartusll文本输入法和图形输入法进行电路设计；熟悉不同的编码及其之间的转换；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&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】计算机直流稳压电源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。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。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。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）程序分析全加器:LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYh_adderISPORT(a,b:INSTD_LOGIC;co,so:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYh_adder;ARCHITECTUREaOFh_adderISBEGINso<=aXORb;co<=aANDb;END;libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityGKY07P3isport(ain,bin,cin:instd_logic;cout,sum:outstd_logic);endentityGKY07P3;architectureaofGKY07P3iscomponenth_adderport(a,b:instd_logic;co,so:outstd_logic);endcomponent;signald,e,f:std_logic;beginu1:h_adderportmap(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e);u2:h_adderportmap(a=>e,b=>cin,co=>f,so=>sum);cout<=dorf;end;整体思路是按照实验的要求，先做出一个半加器，然后在这个半加器的基础上实现全加器的功能。3位二进制数值比较器：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P4ISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);B:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);YA,YB,YC:OUTSTD_LOGIC);ENDGKY07P4;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P4ISBEGINPROCESS(A,B)BEGINIF(A>B)THENYAv=T;YBv='O';YCv='O';ELSIF(AvB)THENYAv='O';YBv=T;YCv='O';ELSEYAv='O';YBv='O';YCv=T;ENDIF;ENDPROCESS;ENDbehave;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P5ISPORT(GA1,AO:INSTD_LOGIC;D0,D1,D2,D3:INSTD_LOGIC;YYB:OUTSTD_LOGIC);ENDGKY07P5;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P5ISSIGNALcomb:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);BEGINcombv=A1&A0;PROCESS(Gcomb,DO,D1,D2,D3)BEGINIFG='0'THENCASEcombISWHEN"OO"=>Yv=DO;YBv=NOTD0;WHEN"01"=>Yv=D1;YBv=NOTD1;WHEN"10"=>Y<=D2;YB<=NOTD2;WHEN"11"=>Y<=D3;YB<=NOTD3;WHENOTHERS=>Yv='O';YBv=T;ENDCASE;ELSEYv='O';YBv=T;ENDIF;ENDPROCESS;ENDbehave;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:LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P6ISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);B:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDGKY07P6;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P6ISBEGINPROCESS(A)BEGINB(3)<=A(3);B(2)<=A(3)XORA(2);B(1)<=A(2)XORA(1);B(0)<=A(1)XORA(0);ENDPROCESS;ENDbehave;本来是考察WHEN语句的运用，将所有的情况用WHEN语句列出来，但是因为8421码转换为格雷码的时候有一个相关的计算式子，采用这个式子可以使程序简化不少。举重比赛裁判器：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P7ISPORT(a:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);b:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0));ENDGKY07P7;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P7ISBEGINPROCESS(a)BEGINCASEaISWHEN"000"=>b<="000";WHEN"001"=>b<="000";WHEN"010"=>b<="000";WHEN"011"=>b<="100";WHEN"100"=>b<="100";WHEN"101"=>b<="111";WHEN"110"=>b<="111";WHEN"111"=>b<="111";ENDCASE;ENDPROCESS;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P8ISPORT(d,clk,set,reset:INSTD_LOGIC;q,qb:OUTSTD_LOGIC);ENDGKY07P8;ARCHITECTUREstrucOFGKY07P8ISBEGINPROCESS(clk,set,reset)BEGINIFset='0'ANDreset=TTHENq<='1';qb<='0';ELSIFset=TANDreset='0'THENqv='O';qbv=T;ELSIFclk'EVENTANDclk=TTHENqv=d;qbv=NOTd;ENDIF;ENDPROCESS;ENDstruc;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P9ISPORT(clk,reset:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDGKY07P9;ARCHITECTUREstrucOFGKY07P9ISSIGNALq_temp:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk=T)THENIFreset='O'THENq_tempv="llll";ELSIFq_tempv="OOOO"THENq_temp<="1111";ELSEq_tempv=q_temp-1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;qv=q_temp;ENDstruc;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P10ISPORT(clk,reset:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDGKY07P10;ARCHITECTUREstrucOFGKY07P10ISSIGNALq_temp:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIFreset='1'THENq_temp<="0000";ELSIFq_temp="1001"THENq_temp<="0000";ELSEq_tempv=q_temp+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;q<=q_temp;ENDstruc;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P11ISPORT(clk,reset:INSTD_LOGIC;countout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDGKY07P11;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P11ISSIGNALnextcount:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk,reset)BEGINIFRESET=TTHENnextcountv="0001";ELSIF(clk'EVENTANDclk='1')THENCASEnextcountISWHEN"0001"=>nextcount<="0010";WHEN"0010"=>nextcount<="0100";WHEN"0100"=>nextcount<="1000";WHENOTHERS=>nextcount<="0001";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;countoutv=nextcount;ENDbehave;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYGKY07P12ISPORT(d:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);oe,clk:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));ENDGKY07P12;ARCHITECTUREstrucOFGKY07P12ISSIGNALtemp:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk,oe)BEGINIFoe=TTHENIFclk'EVENTANDclk=TTHENtempv=d;ENDIF;ELSEtempv="ZZZZZZZZ";ENDIF;qv=temp;ENDPROCESS;ENDstruc;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P13ISPORT(clk,clear:INSTD_LOGIC;clk_out:OUTSTD_LOGIC);ENDGKY07P13;ARCHITECTUREstrucOFGKY07P13ISSIGNALtemp:INTEGERRANGE0TO11;BEGINp1:PROCESS(clear,clk)BEGINIFclear='0'THENtemp<=0;ELSIFclk'EVENTANDclk=TTHENIFtemp=11THENtemp<=0;ELSEtempv=temp+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp1;p2:PROCESS(temp)BEGINIFtemp<6THENclk_outv='0';ELSEclk_outv=T;ENDIF;ENDPROCESSp2;ENDstruc;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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P14ISPORT(clk,clear:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);countout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDGKY07P14;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P14ISSIGNALq_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALcnt:INTEGERRANGE0TO5;BEGINp1:PROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIF(cnt=5)THENcnt<=0;ELSEcnt<=cnt+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;p2:PROCESS(cnt)BEGINIF(clear='0')THENcount<="111111";ELSECASEcntISWHEN1=>countv="101111";q_tempv="0110000";WHEN2=>countv="110111";q_tempv="1101101";WHEN3=>countv="111011";q_tempv="1111001";WHEN4=>countv="111101";q_tempv="0110011";WHEN5=>countv="111110";q_tempv="1011011";WHEN0=>countv="011111";q_tempv="1111110";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;countoutv=count;qv=q_temp;ENDbehave;先用0〜5六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0~5六个数字。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：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P14ISPORT(clk,clear:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);countout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDGKY07P14;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P14ISSIGNALq_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALcnt,cnt1:INTEGERRANGE0TO5;SIGNALtmp:INTEGERRANGE0TO1999;signalclk1:STD_LOGIC;BEGINp0:PROCESS(clk,clear)BEGINIFclear='0'THENtmp<=0;ELSIFclk'EVENTANDclk=TTHENIFtmp=1999THENtmp<=0;ELSEtmpv=tmp+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp0;p1:PROCESS(tmp)BEGINIFclk'EVENTANDclk=TTHENIFtmp<1000THENclk1<='0';ELSEclk1v=T;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSpl;p2:PROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIF(cnt=5)THENcnt<=0;ELSEcnt<=cnt+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp2;p3:PROCESS(clk1)BEGINIF(clk1'EVENTANDclk1='1')THENIF(cnt1=5)THENcnt1<=0;ELSEcnt1v=cnt1+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp3;p4:PROCESS(cnt,cnt1)BEGINIF(clear='0')THENq_tempv="0000000";ELSECASEcnt+cnt1ISWHEN0=>q_tempv="1111110";WHEN1=>q_tempv="0110000";WHEN2=>q_tempv="1101101";WHEN3=>q_tempv="1111001";WHEN4=>q_tempv="0110011";WHEN5=>q_tempv="1011011";WHEN6=>q_tempv="1111110";WHEN7=>q_tempv="0110000";WHEN8=>q_tempv="1101101";WHEN9=>q_tempv="1111001";WHEN10=>q_tempv="0110011";WHEN11=>q_tempv="1011011";WHENOTHERS=>q_tempv="0000000";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp4;qv=q_temp;p5:PROCESS(cnt)BEGINIF(clear='O')THENcountv="llllll";ELSECASEcntISWHEN0=>countv="0lllll";WHENl=>countv="lOllll";WHEN2=>countv="ll0lll";WHEN3=>countv="lllOll";WHEN4=>countv="llll0l";WHEN5=>countv="111110";WHENOTHERS=>countv="111111";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp5;countoutv=count;ENDbehave;LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYGKY07P14ISPORT(clk,clear:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);countout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDGKY07P14;ARCHITECTUREbehaveOFGKY07P14ISSIGNALq_temp:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALcnt,cnt1:INTEGERRANGE0TO11;SIGNALtmp:INTEGERRANGE0TO1999;signalclk1:STD_LOGIC;BEGINp0:PROCESS(clk,clear)BEGINIFclear='0'THENtmp<=0;ELSIFclk'EVENTANDclk=TTHENIFtmp=1999THENtmp<=0;ELSEtmpv=tmp+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp0;pl:PROCESS(tmp)BEGINIFclk'EVENTANDclk=TTHENIFtmpv1000THENclk1v='O';ELSEclk1v=T;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp1;p2:PROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIF(cnt=11)THENcnt<=0;ELSEcnt<=cnt+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp2;p3:PROCESS(clk1)BEGINIF(clk1'EVENTANDclk1='1')THENIF(cnt1=11)THENcnt1<=0;ELSEcnt1v=cnt1+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp3;p4:PROCESS(cnt,cnt1)BEGINIF(clear='O')THENq_tempv="0000000";ELSECASEcnt+cnt1ISWHEN6=>q_tempv="1111110";WHEN7=>q_tempv="0110000";WHEN8=>q_tempv="1101101";WHEN9=>q_tempv="1111001";WHEN10=>q_tempv="0110011";WHEN11=>q_tempv="1011011";WHENOTHERS=>q_tempv="0000000";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp4;qv=q_temp;p5:PR0CESS(cnt)BEGINIF(clear='O')THENcountv="llllll";ELSECASEcntISWHEN0=>countv="011111";WHEN1=>countv="101111";WHEN2=>countv="110111";WHEN3=>countv="111011";WHEN4=>countv="111101";WHEN5=>countv="111110";WHENOTHERS=>countv="111111";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp5;countoutv=count;ENDbehave;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，因此先采用分频器得到一个频率稍低的时钟信号，控制另一个计数器技术状态的转换，这样使得数字变换的频率稍微不同于数码管接通的顺序，具体实现两种不同的滚动显示的时候计数器的状态个数也是有点区别的。其他步骤基本和串行显示相同。程序运行结果全加器:恰MasterTimeBar:10.075ns勺》|Pointer:821.27nsInterval:811.2nsStart:|End:|函数F：氐MasterTimeBar:10.0ns*Pointer:225.04nsInterval:215.04nsStart:End:3位二进制数值比较器:0.725nsPointer:|0.725nsPointer:|2.81usInterval:2.8usStart:[MasterTimeBar:A英N：ime8.73谬0SAB0：畛4A[0]Bi聆5A[l]BIA[2]BI也卸aeB0i—►11E[ii]Bim口，.呼12E[l]Bi1^13B[2]Bi❻14YABi❻15YBBi妙16YCE：1PS1.725its1.923.S47.04i厂1.28us5.12us4.48us001010I11i-1!!!II15.T6ioT4选1数据选择器:MasterTimeBar:8.725nsPointer:1.63usStart:[Interval:End:AHanteValue8.73A0ElI：噩畛1ALB0P2DUElC4IIIElI：畛4D2ElI：—►A5D3El：P6GElCYElI：衬8YBB1jps640.0ns3.725ns1.28us1.92us3.2us3.84us4.48us5.12us7.04u;L_r8421码转换为格雷码:8.725nsPointer:2.07usInterval:2.0GusStart:[End:MasterTimeBar:640.0ns1.28us1.92us2.56us3.2us3.84us4.48us5.12us5.76us6.4us140010001111!1i：ii：ii：n：i；rnriiji0011WoXDioo01010110'；（0111XQinoiqF~01007noi：＜nnzxTTTF：QW101ooTTXquoJOE：oni0101；：＜010100\\jiw!XT7uQi：＜1010：：fHHjIXloio==L二；「；举重比赛裁判器:MasterTimeBar:10.05nsPointer:|701.67nsInterval:|691.62nsStart:[End:[英田aa[0]a[l]a⑵Sbb[0]b[l]b[2]D触发器:Value10.0E〕PS10.05ns1.28us2.56us3.84us5.12TIE7.68us8.96us10.24us11.52us12.8TIE14.08u!El0iE；iBiBiEl01E；iE：iBi怎MasterTimeBar:怎MasterTimeBar:9.475nsPointer:127.58nsInterval:118.11nsStart:[End:[罠NameValue9.48丿elkB0电1dB0qI；0M—3吐E；0--4resetB0RsetB0at10.24IT.9223.0428.16u1~I-PS.475ns4位二进制减计数器:A英NanteValueg.48elkEl电Oi田qB0Cq[0]Eq[l]E衬8q[2]B—►q[3]B畛10resetB訂MasterTimeBar:475ns4Pointer:|6.03usInterval:6.02usStart:|Endr：ls2.56us512us7.E8us10.24us12.8us15.3&usIT.9220.48us23.0425.6us28.16uiI75ns~L厂1nr‘‘■LJ—1厂1poopxinX1110f厂110XUDOXionX1010X1001■1000(0111；■：：■01IL3101X01DOx0011X0010J1□1rI：：11I—11!j|———————-1—1———，'…1——i丨丨丨丨丨川丨丨丨丨丨8421码十进制计数器:MasterTimeBar:A英NameValue8.7elkBIOi田'1ElDC<i>6q[0]BI<j>7q[l]BI<i>8q⑵BI—►egq[3]BIp10resetBI)ps3.7nsPointer:[255.15nsInterval:246.45nsStart:[End:[5.12us10.24us12.8us15.36us17.92us20.48us23.04us25.6us28.16uTinnnrirLnrLnrLrLnrLrLnnnnrLrinrLrmj"LnrLrL4位环形计数器:Interval:oci分频器:Interval:Start:[End:[10.84us10.83us怎MasterTimeBar:5.12usA罠KameValue8.7畛0elkB[参11+1...toutB0C06...t[0]BBi08...t[2]Bi—►BI"IDresetBiQMasterTimeBar:Pointer:|1000XStart:|End:|10.24L5.36IT.9220.4823.042S.16u：i0100100i100010.625ns*Pointer:数码管串行扫描电路:32PS320.0n640.0ns9&Q.0ns.28us1.6us1.92us2.24us2.56us2.88us3.2us3.52us3.84us10.8£10.875ns-J畛0cle：ai"B畛1elkBina^aR^a^aoaaaRaa^a^a^a^aRaa^a^a^aaa^aRar参2■...toutBOil妙9B1ii11111妙10B11—i!LJ111~1lL抄11B11—-L_rl11l~~hr妙12...t[3]B11iL—i11~n_r11—i-抄13B11111ii111妙14BII_1i_i1_1i__i—11__1彥15H'iEi111叵^231E0]BIJrL1111r1抄24q[1]Bri1r111—11L_r妙251E2]B1Oior~nir_...m..m.「E抄26<1[3]BnJLIi1—nL—1__1iiiiL—L「-1_1L_L妙2T1E4