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基于VHDL的組合邏輯電路的設計、仿真

2020年07月17日 11:21 ? 次閱讀

一、實驗目的

熟悉QuartusⅡ的VHDL文本設計過程,學習簡單組合邏輯電路的設計、仿真和測試方法。

二、實驗內容

1. 基本命題

完成2選1多路選擇器的文本編輯輸入(mux21a.vhd)和仿真測試等步驟。最后在實驗系統上進行硬件測試,驗證本項設計的功能。

2. 擴展命題

將設計的2選1多路選擇器看成是一個元件mux21a,利用元件例化語句設計能夠滿足圖3-1所示仿真波形的邏輯功能的雙2選1多路選擇器。

clip_image002

圖3-1 仿真波形

三、實驗儀器與器材

計算機1臺,GW48-PK2S實驗箱1臺,QuartusⅡ6.0 1套。

四、實驗

將實驗原理、設計過程、仿真步驟、仿真波形和分析結果、硬件測試實驗結果寫進實驗報告。

2選1多路選擇器設計

① 實驗原理

由數電知識可知,2選1多路選擇器由2個數據輸入口(IN0,IN1),1個數據選擇端(S1),一個輸出口(COUTY)構成。本程序通過判斷數據選擇端(S1)的取值,將對應的數據輸入口(IN0或IN1)輸出。

② 程序設計

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY mux21a IS

PORT ( IN0,IN1,S1:in std_logic;

COUTY : OUT STD_LOGIC);

END mux21a;

ARCHITECTURE behav OF mux21a IS

BEGIN

COUTY《=IN0 when S1=‘0’ ELSE IN1;

END behav;

③ mux21a仿真波形圖

為了使仿真結果更為直觀,我們將IN0設為高電平,IN1設為低電平。

基于VHDL的組合邏輯電路的設計、仿真

圖1 mux21a仿真波形圖

由圖1可知,我們可知當S1處于高電平時,COUNT輸出IN1;反之,輸出IN0.所以所設計的實驗能夠滿足要求。

雙2選1多路選擇器

① 實驗原理

本實驗中直接利用上題的mux21a。由上題可知,mux21a由2個數據輸入口(IN0,IN1),1個數據選擇端(S1),一個輸出口(COUTY)構成。設有兩個mux21a,分別為U1和U2。為了充分利用U1和U2的數據選擇端,我們將U1的輸出口(COUNT)接到U2的輸入口IN0,這樣U2通過自身的選擇端(S1)就可以選擇U1的輸出或則自己IN0的輸入數據,實現2選1選擇器到雙2選1多路選擇器的擴展。(如圖2所示)

基于VHDL的組合邏輯電路的設計、仿真

圖2 雙二選一多路選擇器

② 程序設計

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY dmux21a IS

PORT ( IN0,IN1,IN2,S0,S1:in STD_LOGIC;

COUTY : OUT STD_LOGIC);

END dmux21a;

ARCHITECTURE BHV OF dmux21a IS

COMPONENT MUX21A

PORT(IN0,IN1,S1:IN STD_LOGIC;

COUTY :OUT STD_LOGIC);

END COMPONENT;

SIGNAL tmp : STD_LOGIC;

BEGIN

u1 : MUX21A PORT MAP(IN0, IN1, S0, tmp);

u2 : MUX21A PORT MAP(IN2, tmp, S1, COUTY);

END BHV;

③ dmux21a 仿真波形圖

基于VHDL的組合邏輯電路的設計、仿真

圖3dmux21a仿真波形圖

波形圖預測:當S1=0時輸出IN2的波形;當S1=1,S0=1,輸出IN1的波形;當S1=1,S0=0,輸出IN0的波形。

由波形圖可知,方針結果與預測結果一致。

(2)進行本實驗引腳鎖定時,建議選擇實驗模式5(No.5),用鍵1(PIO0)控制端s0;用鍵2(PIO1)控制端s1;a3、a2、a1分別接clock5、clock0和clock2;輸出信號y接揚聲器spkert。通過短路帽選擇clock0接256Hz信號,clock5接1024kHz信號,clock2接8kHz信號。最后進行編輯、下載和硬件測試實驗(通過選擇鍵1、鍵2、控制s0、s1,可使揚聲器輸出不同音調)。

表1-1 dmux21a在GWAC6板上目標芯片EP1C6Q240C8的引腳鎖定信息

端口名稱端口符號GWAC6板輸入輸出元件GWAC6板接口目標器件引腳備注

控制端s0s0鍵1PIO0233模式No.5

控制端s1S1鍵2PIO1234

輸入信號3IN2clock5clock5152

輸入信號2IN1Clock0Clock0153

輸入信號1IN0Clock2Clock228

揚聲器y揚聲器SPEAKER174

如表1所示完成元件dmux21a與實驗板引腳的綁定。如圖4所示

基于VHDL的組合邏輯電路的設計、仿真

圖4 dmux21a與實驗板引腳的綁定

五、實驗思考題

比較圖形編輯輸入與文本編輯輸入的主要差別,談談例化語句的作用及應用時應注意的問題。

1、比較圖形編輯輸入與文本編輯輸入的主要差別

使用圖形編輯法的話,我們需要對邏輯運算與硬件結構對應起來,也就是要懂得將邏輯運算轉化成硬件電路,這需要有較為扎實的硬件功底。使用文本編輯輸入的話,我們只需要懂得用VHDL表達邏輯運算,而不必關心硬件電路的組成,這可以減輕很多硬件設計方面的功夫(接線,選用元器件等)。

2、例化語句的作用及應用時應注意的問題

1) 例化語句的作用是:引入另一個已經設計好的組件。

2) 應用時應注意的問題:

① 要記得將原先已經設計好的原件放在工程底下。對于本體來說是mux21a。

② 要將引入的元件與頂級元件的引腳一一匹配,有需要的話,使用信號(SINGAL)進行消息的傳遞。

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