《电子设计自动化技术》-项目2

主要内容D任务实现A项目任务B项目目标C知识准备E考核评价F拓展提高A项目任务ElectronicDesignAutomation

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《EDA技术》…本项目采用数字电路中利用基本门电路设计组合逻辑电路的方法，使用AlteraFPGA的开发工具QuartusⅡ，利用原理图输入设计方法设计一个四位加法器，通过四位加法器设计项目训练及相关知识学习。B项目目标ElectronicDesignAutomation

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《EDA技术》通过四位加法器设计项目训练及相关知识学习，达到如下目标：1、掌握QuartusII软件的原理图输入设计方法2、会利用基本门电路设计组合逻辑电路3、掌握原理图输入法中的层次化设计4、能使用QuartusII软件对设计电路进行功能仿真5、能利用学习开发板对设计电路进行下载与调试6、能按照现场管理要求（整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全、环保、节能）安全文明生产7、会查找相关资料8、会撰写项目报告并答辩9、具有团队合作精神，具有一定的组织协调能力C.知识准备1半加器逻辑功能半加器是组成四位加法器的底层电路之一，它的逻辑功能表如表2-1所示，原理如图2-1所示。半加器的逻辑表达式如下：so=a+bco=ab。一、四位加法器原理输入输出abcoso0000010110011110图2-1半加器原理图表2-1半加器逻辑功能表2

四位加法器原理图

四位加法器(如图2-3)是以1位全加器作为基本硬件，由4个1位全加器串行构成，1位全加器又可以由两个1位的半加器和一个或门连接而成(如图2-2)图2-21位全加器原理图图2-3四位加法器原理图QuartusII提供了更强大、更直观便捷和操作灵活的原理图输入设计功能，同时还配备了更丰富的适用于各种需要的元件库，其中包含基本逻辑元件库（如与门、非门、异或门、D触发器等）、宏功能元件（包含了几乎所有74系列的器件），以及类似于IP核的参数可设置的宏功能块LPM库、锁相环、嵌入式逻辑分析仪等。QuartusII同样提供了原理图输入多层次设计功能，使得用户能方便地设计更大规模的电路系统，以及使用方便、精度良好的时序仿真器。二QuartusII原理图输入设计方法QuartusII提供的原理图输入设计功能具有不可比拟的优势和先进性。（1）能进行几乎任意层次的数字系统设计。（2）对系统中的任一层次，或任一元件的功能能进行精确的时序仿真，精度达0.1ns。因此能发现对系统可能产生不良影响的竞争冒险现象。（3）通过时序仿真，能迅速定位电路系统的错误所在，并随时纠正。（4）能对设计方案进行随时更改，并储存设计过程中所有的电路和测试文档。（5）通过编译和下载，能在FPGA上对设计项目随时进行硬件测试验证。（6）如果使用FPGA和配置编程方式，将不会有器件损坏和损耗的问题。（7）符合现代电子设计技术规范。二QuartusII原理图输入设计方法D任务实现3-8译码器三输入，八输出。当输入信号按二进制方式的表示值为N时，输出端标号为N的输出端输出高电平表示有信号产生，而其它则为低电平表示无信号产生。因为三个输入端能产生的组合状态有八种，所以输出端在每种组合中仅有一位为高电平的情况下，能表示所有的输入组合。其真值表如表2-2所示。任务1利用原理图输入法设计3-8译码器输入输出CBAD7D6D5D4D3D2D1D00000000000100100000010010000001000110000100010000010000101001000001100100000011110000000表2-23-8译码器真值表《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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1．建立工程文件

（1）选择开始->程序->Altera->QuartusII9.0，运行QuartusII软件。图2-4QUARTUSII软件运行界面《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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1．建立工程文件

（2）选择软件中的菜单File->NewProjectWizard，新建一个工程。图2-5新建工程对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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1．建立工程文件

（3）点击图2-5中的NEXT进入工作目录，工程名的设定对话框如图2-6所示。图2-6指定工程名称及工作目录《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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1．建立工程文件

（4）点击NEXT，进入下一个设定对话框，如图2-7所示。器件选择对话框如图2-8所示。这里我们以选用CycloneII系列芯片EP2C5Q208C8为例进行介绍。确定芯片后点击NEXT进入EDAtool对话框设置。图2-7选择添加设计文件对话框图2-8器件选择界面图2-9EDATOOL对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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1．建立工程文件

（5）按默认选项，点击NEXT出现新建工程以前所有的设定信息，如图2-10所示，点击FINISH完成新建工程的建立。图2-10新建工程信息《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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2.建立图形设计文件（1）在创建好设计工程后，选择File->NEW…菜单，出现图2-11所示的新建设计文件类型选择窗口。图2-11新建设计文件选择窗口《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（2）在New对话框（图2-11）中选择DesignFiles下的BlockDiagram/SchematicFile，点击OK按钮，打开图形编辑器对话框，如图2-12所示。2.建立图形设计文件图2-12QUARTUSII图形编辑器对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（3）在这里以用原理图输入设计一个三八译码器为例，介绍基本单元符号输入方法的步骤。在图2-12所示的图形编辑器窗口的工件区双击鼠标的左键，或点击图中的符号工具按钮，或选择菜单Edit->InsertSymbol，则弹出如图2-13所示的Symbol对话框。2.建立图形设计文件图2-13Symbol对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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2.建立图形设计文件（4）用鼠标点击单元库前面的“+”号，展开单元库，用户可以选择所需要的图元或符号，该符号则显示在右边的显示符号窗口，用户也可以在符号名称里输入你所需要的符号名称，点击OK按钮，所选择的符号将显示在图形编辑器的工件工域。（5）参考图2-14所示，将要选择的器件符号放置在图形编辑器的工件区域，用正交节点工具将元件连接起来，然后定义端口的名称。图2-14设计文件的输入《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（6）完成图形编辑的输入之后，需要保存设计文件或重新命名设计文件。选择File->SaveAs项，出现如图2-15所示对话框，选择好文件保存目录，并在文件名栏输入设计文件名。2.建立图形设计文件图2-15保存设计文件对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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3．对设计文件进行编译QuartusII编译器窗口包含了对设计文件处理的全过程。在QuartusII软件中选择Processing->CompilerTool菜单项，则出现QuartusII的编译器窗口，如图2-16所示。整个编译完成，软件会提示编译成功，如图2-17所示。图2-16QUARTUSII编译器窗口图2-17全编译成功界面《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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……4.对设计文件进行仿真（1）创建一个仿真波形文件，选择QuartusII软件File->New，进入新建文件对话框。如图2-18所示。在Verification/DebuggingFiles项目中选择VectorWaveformFile，点击OK按钮，则打开了一个空的波形文件编辑器窗口，如图2-19所示。图2-18新建文件对话框图2-19波形编辑器《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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4.对设计文件进行仿真（2）设置仿真结束时间，波形编辑器默认的仿真结束时间为1uS，根据仿真需要，可以自由设置仿真的结束时间。选择QuartusII软件的Edit->EndTime命令，弹出线路束时间对话框，在Time框内输入仿真结束时间，点击OK按钮完成设置。（3）加入输入、输出端口，在波形编辑器窗口左边的端口名列表区双击鼠标左键，或是点击鼠标右键，在弹出的右键菜单中选择InsertNodeorBus…命令，在弹出的InsertNodeorBus对话框如图2-20所示界面中点击NodeFinder…按钮。图2-20InsertNodeorBus对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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在出现的NodeFinder界面中，如图2-21所示，在Filter列表中选择Pins：all，在Named窗口中输入“*”，点击List在NodesFound窗口出现所有信号的名称，点击中间的

按钮则SelectedNodes窗口下方出现被选择的端口名称。双击OK按钮，完成设置，回到图2-20所示的InsertNodeorBus对话框，单击OK按钮，所有的输入、输出端口将会在端口名列表区内显示出来，如图2-22所示。图2-21NodeFinder对话框图2-22在波形编辑器中加入端口4.对设计文件进行仿真《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（4）编辑输入端口波形，即指定输入端口的逻辑电平变化，在如图2-22所示的波形编辑窗口中，选择要输入波形的输入端口如A端口，在端口名显示区左边的波形编辑器工具栏中有要输入的各种波形，其按钮说明如图2-23所示。根据仿真的需要输入波形。完成后如图2-24所示。最后选择软件的File->Save进行保存。图2-23波形编辑器工具栏图2-24编辑输入端口波形4.对设计文件进行仿真《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（5）指定仿真器设置，在仿真过程中有时序仿真和功能仿真之分，在这里介绍功能仿真。在QUARTUSII软件中选择Processing->SimulatorTool命令，打开仿真器工具窗口，如图2-25所示。图2-25仿真器工具窗口4.对设计文件进行仿真《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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按图2-25上的提示，首先产生功能仿真网表文件，点击产生功能仿真网表的按钮GenerateFunctionalSimulationNetlist，产生功能仿真网表，然后点击开始仿真的START按钮开始进行仿真，直到仿真进度条为100%完成仿真。点击仿真报告窗口按钮Report，观察仿真波形。如图2-26所示。图2-26仿真波形4.对设计文件进行仿真《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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5.管脚分配

在前面选择好一个合适的目标器件（在这个实验中选择为EP2C5Q208C8），完成设计的分析综合过程，得到工程的数据文件以后，需要对设计中的输入、输出引脚指定到具体的器件管脚号码，指定管脚号码称为管脚分配或管脚锁定。这里介绍两种方法进行管脚锁定。（1）点击Assignments菜单下面的Pins，进入到PinPlanner引脚分配窗口，如图2-27所示。在每个端口的Location处双击，再在下拉框中选择相应的引脚号。图2-27管脚分配《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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针对实验开发系统CycloneIIEP2C5Q208C8芯片，依照表2-3和表2-4所示的硬件与FPGA的管脚连接表（或附录），对所有端口进行管脚分配，如图2-28所示。5.管脚分配图2-28所有引脚全部分配结束后的软件窗口《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（2）点击Assignments菜单下面的PinPlanner（也可直接点击工具栏上的引脚分配按钮

）出现如图2-29所示的所选目标芯片的管脚分布图。5.管脚分配图2-29目标芯片的管脚分布图《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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与上面的方法相同，依照表2-3和表2-4所示的硬件与FPGA的管脚连接表（或附录），如端口A对应的管脚为PIN_118，则双击PIN_118管脚出现如图2-30所示对话框。图2-30管脚分配对话框5.管脚分配《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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在图2-30对话框中的NodeName框中输入对应的端口名A或者通过下拉菜单选取对应的端口名称A，点击OK按钮，完成对端口A的管脚分配。用相同的方法，依照下表2-5对其它端口进行管脚分配，管脚分配完后，如下图2-31所示。图2-31所有引脚全部分配结束后的软件窗口端口名使用模块信号对应FPGA管脚说

明A拨码开关K3PIN_118译码器的三位输入B拨码开关K2PIN_127C拨码开关K1PIN_128D0LED灯LED1PIN_142译码器的八位输出D1LED灯LED2PIN_141D2LED灯LED3PIN_139D3LED灯LED4PIN_138D4LED灯LED5PIN_137D5LED灯LED6PIN_135D6LED灯LED7PIN_134D7LED灯LED8PIN_133表2-4端口管脚分配表5.管脚分配《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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6．从设计文件到目标器件的加载（1）使用下载电缆将PC机与实验系统连接起来。（2）选择QuartusII软件的Tool->Programmer命令，进行编程器窗口，如图2-32所示，若是初次安装QuartusII，没有设置编程硬件，则编程硬件类型为NoHardware，需要对编程硬件进行设置。点击HardwareSetup编程硬件设置按钮，进入如图2-33所示的编程硬件设置对话框。图2-32编程器窗口图2-33编程器硬件设置对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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（3）若是USB下载方式，在Currentlyselectedhardware栏选择USB-Blaster，如图2-34所示，利用计算机的USB口直接对FPGA进行配置。如果使用的是并口下载线，则点击AddHardware…按钮，进入图2-35，从Hardwaretype列表中选择所需要硬件类型，点击OK按钮，完成对硬件类型的设置。回到编程器硬件设置窗口，点击Close按钮退出设置。则在编程器对话框中的编程硬件类型会出现刚才选取的编程器硬件。图2-34选择USB-Blaster图2-35编程硬件选择对话框6．从设计文件到目标器件的加载《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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任务2利用原理图输入法设计四位加法器1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程adder4bit。2、建完工程之后，再新建一个BlockDiagram/SchematicFile。在原理图编辑窗口绘制如图2-36的半加器原理图。点击File->Save，将已设计好的图文件取名为：h_adder，并存在工程文件夹内。图2-36半加器原理图3、将h_adder设置成顶层实体。在诸多文件打开的状态下，选中h_adder.bdf为当前文件。点击Project→SetasTop-LevelEntity，或右键→SetasTop-LevelEntity。4、编译。如果发现有错，排除错误后再次编译。直到编译通过就可以进行波形仿真。《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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任务2利用原理图输入法设计四位加法器5、时序仿真。建立波形文件,设置波形参量，再保存(注意:QuartusⅡ在波形仿真时，只支持一个与工程名同名的波形文件，所以在对多个文件进行波形仿真时，对波形文件都取工程名进行保存，后缀名为.vwf；若确实想保留多个波形文件，则可以分别命名，想对哪个波形文件进行仿真时，点击Processing->simulationTool,在Simulationinput中输入待仿真的波形文件即可，如图2-37所示)，最后运行波形仿真。图2-38是仿真运算完成后的时序波形。观察分析波形，图2-38显示的半加器的时序波形是正确的。此时我们就可以将半加器h_adder封入库生成半加器元件了,为后续生成1位全加器做准备。图2-37仿真工具界面图2-38仿真结果《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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任务2利用原理图输入法设计四位加法器6、封装入库。封将仿真调试好的半加器封装入库。打开h_adder.bdf文件，在File->Create/update 如图2-39所示。图2-39元件封装入库7、全加器原理图设计。以上实验步骤我们主要是生成了一个半加器，我们再用同样的方法按照图2-40中1位全加器原理图生成一个1位全加器元件（注意生成的半加器在元器件库的Project选项下，如图2-41）。图2-401位全加器原理图图2-41Symbol对话框《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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8、全加器仿真。9、四位加法器原理图设计。根据四位加法器的原理画出如图2-42的四位加法器原理图。为方便观察输出波形，四位加法器输入输出采用总线画法，总线命名为被加数a[3..0]，加数命名为b[3..0],同时要为每根总线分支加上网络名，方法为选定某总线分支后，右键->Properties，在弹出的NodeProperties对话框（如图2-43）中输入总线分支网络名，如a[0]，a[1]，……。图2-42四位加法器原理图图2-43节点添加网络名任务2利用原理图输入法设计四位加法器《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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任务2利用原理图输入法设计四位加法器10、四位全加器仿真，仿真波形如图2-44。注意仿真结果观察将数值以无符号数形式输出最好，设置方法为选定某个端口后，右键->Properties，在图2-45对话框中选择UnsignedDecimal。图2-44四位加法器仿真波形图2-45节点数据的进制选择《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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11、引脚锁定。编译仿真无误后，依照按键、LED与FPGA的管脚连接表进行管脚分配，表2-5是管脚分配表。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。端口名使用模块信号对应FPGA管脚说

明a[3]按键S1PIN_1074位加法器的被加数输入a[2]按键S2PIN_108a[1]按键S3PIN_110a[0]按键S4PIN_112b[3]按键S5PIN_1134位加法器的加数输入b[2]按键S6PIN_114b[1]按键S7PIN_115b[0]按键S8PIN_116sum[4]LED灯LED1PIN_1424位加法器的和输出sum[3]LED灯LED2PIN_141sum[2]LED灯LED3PIN_139sum[1]LED灯LED4PIN_138sum[0]LED灯LED5PIN_137表2-5端口管脚分配表任务2利用原理图输入法设计四位加法器《EDA技术》ElectronicDesignAutomation

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12、不用的管脚设置为输入高阻态设置方法如下：（1）单击菜单栏Assignments->Device…（2）单击对话框右侧中间的DeviceandPinOptions…按钮（3）在UnusedPins选项卡中，将R