可編程邏輯器件實驗講義11個

1、可 編 程 邏 輯 器 件實驗講義目 錄目 錄實驗一 Quartus軟件及EDA實驗平臺介紹1實驗二 Quartus文本設計輸入4實驗三 Quartus混合設計輸入5實驗四 D、T觸發(fā)器7實驗五 十六進制數碼管顯示8實驗六 3-8譯碼器設計10實驗七 計數器的設計12實驗八 數控分頻器的設計13實驗九 鎖存器的設計14實驗十 4選1多路選擇器19實驗十一 循環(huán)彩燈控制器的設計21可編程邏輯器件實驗講義實驗一 Quartus軟件及EDA實驗平臺介紹（1）實驗目的：熟悉Quartus軟件的使用，學習其操作過程及仿真過程。（2）實驗內容：學習使用Quartus對程序進行編輯輸入、編譯及仿真。1、打開

2、QuartusII軟件。2、選擇路徑。選擇File/New Project Wizard，指定工作目錄,指定工程和頂層設計實體稱；注意：工作目錄名不能有中文。3、添加設計文件。將設計文件加入工程中。單擊“Next”，如果有已經建立好的VHDL或者原理圖等文件可以在File name中選擇路徑然后添加，或者選擇Add All添加所有可以添加的設計文件（.VHDL ,.Verilog原理圖等）。如果沒有直接點擊“Next”，等建立好工程后再添加也可，這里我們暫不添加。4、選擇FPGA器件。Family選擇Cyclone，Available device選EP1C12Q240C8,點擊“Next”。

3、5、選擇外部綜合器、仿真器和時序分析器。Quartus II支持外部工具，可通過選中來指定工具的路徑。這里我們不做選擇，默認使用Quartus II自帶的工具。6、結束設置。單擊“Next”，彈出“工程設置統計”窗口，上面列出了工程的相關設置情況。最后單擊“Finish”，結束工程設置。7、建立VHDL原文件。選擇菜單“File”“New”。8、添加文件到工程中。VHDL原文件編輯完后，選擇File/Save，選擇和工程相同的文件名。點擊“保存”，文件就被添加進工程當中。21library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_

4、unsigned.all;entity adder4b isport(clr,cin: in std_logic;a,b: in std_logic_vector(3 downto 0);s: out std_logic_vector(3 downto 0);cout:out std_logic);end adder4b;architecture art of adder4b issignal sint:std_logic_vector(4 downto 0);signal aa,bb:std_logic_vector(4 downto 0);begin aa=0&a; bb=0&b; sin

5、t=aa+bb+cin; s=sint(3 downto 0); coutGenerate Functional Simulator NetList, 生產網表文件之后，點擊Start Simulator，進行功能仿真，然后驗證邏輯功能是否正確。（4）實驗報告：簡述實驗步驟，寫出實驗的源程序，給出波形仿真結果。實驗二 Quartus文本設計輸入（1）實驗目的：熟悉Quartus軟件的使用及仿真過程；掌握操作符的邏輯運算關系及數據類型，熟悉VHDL文本輸入法。（2）實驗內容：使用VHDL文本輸入法完成基本門的設計，學習使用Quartus對程序進行編輯輸入、編譯及仿真。library ieee;u

6、se iee.std_logic_1164.all;entity jbm is port(a,b: in bit; f1,f2,f3,f4,f5,f: out bit);end jbm;architecture a of jbm isbegin f1=a and b; f2=a or b; f=not a; f3=a nand b; f4=a nor b; f5=not(a xor b); end; （3）思考題根據上述實驗結果與現象，獨立完成2位二進制數的“與、或非、異或、同或”邏輯運算，要求數據類型為標準邏輯矢量類型。（4）實驗報告寫出實驗的源程序，給出相應表達式完成的邏輯關系，并給出波形

7、仿真結果。獨立完成思考題，給出源程序。實驗三 Quartus混合設計輸入（1）實驗目的：熟悉Quartus軟件的使用及仿真過程；熟悉VHDL混合輸入法，并完成一位全加器的設計。（2）實驗原理表3-1 半加器真值表absoco0000011010101101建立一位半加器half_adder工程：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY HALF_ADDER ISPORT(A,B: IN STD_LOGIC;S,Co: OUT STD_LOGIC);END ENTITY HALF_ADDER;ARCHITECTURE RTL OF HALF_

8、ADDER ISBEGINS = NOT(A XOR(NOT B);Co 【Create/Update】-【Create symbol file for current file】；新建原理圖文件，并添加剛生成新元件；連接電路圖根據文本輸入的半加器，結合所給原理圖，進行合理的電路圖連接。注意：原理圖保存名稱不要與半加器實體名重合。指定頂層文件（4）實驗報告給出半加器的原理，寫出一位半加器的文本源程序；畫出一位全加器的原理圖，對一位全加器進行功能仿真，給出波形仿真結果，并舉例驗證結果是否正確。 實驗四 D、T觸發(fā)器（1）實驗目的：熟悉QuartusII的VHDL文本設計過程，學習簡單時序電路的設

9、計、仿真。（2）實驗原理時序邏輯電路是現代復雜數字電路的重要組成部分，往往占到整個設計的90以上。觸發(fā)器是時序電路的基本單元，本實驗將涉及到D觸發(fā)器與T觸發(fā)器，采用的是邊沿觸發(fā)，邊沿觸發(fā)是實際電路實現的主要方式。D觸發(fā)器：在時鐘上升沿時，輸出q=d，qb=；T觸發(fā)器：在時鐘上升沿的作用下，T=0輸出不變，T=1輸出翻轉。（3）實驗內容：設計上升沿觸發(fā)的同步復位的D觸發(fā)器及上升沿觸發(fā)的T觸發(fā)器，分別利用Quartus對程序進行編輯輸入、編譯及仿真。上升沿觸發(fā)的同步復位的D觸發(fā)器library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logi

10、c_signed.all; entity syndff is port(d,clk,reset:in std_logic; q,qb:out std_logic); end syndff; architecture dff_art of syndff is begin process(clk) begin if (clkevent and clk=1) then if (reset=0) then q=0; qb=1; else q=d; qb=not d; end if; end if; end process; end dff_art; T觸發(fā)器源程序代碼：library ieee; us

11、e ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_signed.all; entity tff is port(t,clk: in std_logic; q: out std_logic); end; architecture tff_art of tff is signal q_temp: std_logic; begin p1:process(clk,q_temp) begin if rising_edge(clk) then if t=1 then q_temp=not q_temp; else q_temp=q_temp; end if; en

12、d if; q=q_temp; end process; q=q_temp; end tff_art;（4）實驗報告寫出D觸發(fā)器及T觸發(fā)器的程序代碼及原理，找出D觸發(fā)器的錯誤及T觸發(fā)器的警告，說明其錯誤原因并改正，最后給出兩個觸發(fā)器的波形仿真結果。實驗五 十六進制數碼管顯示（1）實驗目的學習7段數碼顯示譯碼器設計，學習VHDL的case設計方法。（2）實驗儀器計算機一臺，EL教學實驗箱（EDA-VI），QUARTUS II（3）實驗原理七段數碼管由8個（a,b,c,d,e,f,g,dp）按照一定位置排列的發(fā)光二極管構成，通常采取共陰極或者共陽極的設計，將8個二極管的同一極接在一起，通過分別控制

13、另外的8個電極的電平，使二極管導通（發(fā)光）或截止（不發(fā)光）。本實驗采用共陰極設計，高電平點亮。七段數碼顯示譯碼器的功能就是根據需要顯示的字符，輸出能夠控制七段數碼管顯示出該字符的編碼。（4）實驗內容用VHDL設計7段數碼管顯示電路設計，利用case語句實現數碼管上顯示字符的電路。十六進制數碼管顯示源代碼：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY shuma ISPORT (clk:IN STD_LOGIC;vga:out std_logic_vector (3 downto 0

14、);sel:out std_logic_vector(7 downto 0);seg_led: out std_logic_vector (7 downto 0) ) ;END;ARCHITECTURE one OF shuma ISsignal cq:std_logic_vector(3 downto 0);BEGINvga=0010;sel=11111110;PROCESS(clk,cq)BEGINIF (clk=1 AND clkEVENT) THENcqseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_

15、ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_ledseg_led NULL;END CASE;end process;END;用QuartusII對中的設計進行編譯、綜合、仿真，驗證其功能是否與預期一致。管腳配置： seg_led0：PIN_105seg_led1：PIN_104seg_led2：PIN_101seg_led3：PIN_100seg_led4：PIN_85seg_led5：PIN_84seg_led6：PIN_83seg_led7：PIN_82sel0：PIN_86sel1：PIN_87sel2：PIN_88sel3：PIN_93sel4：PIN_94

16、sel5：PIN_95sel6：PIN_98sel7：PIN_99vga0：PIN_162vga1：PIN_161vga2：PIN_164vga3：PIN_163clk：PIN_28注意：未分配管腳：Assignments-device.-device&pin options -unused pins-Reserve all unused pins:As input tri-stated。通過QuartusII的usb-blaster，將設計下載到實驗電路上進行硬件測試。（4）實驗連線clk的頻率由SW17-SW20控制，用導線將IO3與IOCLK相連;SW17-SW20控制時鐘的頻率，011

17、1表示頻率為5Hz，1111表示時鐘頻率為1Hz，本實驗選用這兩個頻率進行測試，觀察數碼管顯示字符的變化。（5）實驗報告給出十六進制的數碼管的程序代碼、原理，自己改寫程序選擇不同的數碼管顯示字符，并提供實驗過程中的拍攝圖片。 實驗六 3-8譯碼器設計（1）實驗目的通過3-8譯碼器的設計，掌握組合邏輯電路的設計方法，熟悉軟件的使用，并利用實驗箱對程序進行硬件測試。（2）實驗儀器計算機一臺，EL教學實驗箱（EDA-VI），QUARTUS II（3）實驗原理輸入輸出g1 g2ag2bC B A Y0 Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

18、0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 利用case語句設計3-8譯碼器，譯碼器的輸出接LED燈，為低電平點亮。（4）實驗內容3-8譯碼器源程序代碼：LIBRARY ieee;USE ieee.std_log

19、ic_1164.ALL;ENTITY decoder3_8 ISPORT(a,b,c,g1,g2a,g2b:IN STD_LOGIC;VGA：out std_logic_vector(3 downto 0);Y: OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END decoder3_8;ARCHITECTURE fun OF decoder3_8 ISSIGNAL indata: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINVGA=“0001”; indata YYYYYYYYY=XXXXXXXX;END CASE;ELSEYdevice.-devi

20、ce&pin options -unused pins-Reserve all unused pins:As input tri-stated。（5）實驗連線C、B、A、G1、G2A、G2B分別對應EDA-VI實驗箱底板SW1-SW6；Y0-Y7分別對應EDA-VI實驗箱底板IO9-IO16；用導線將IO9-IO16與8位LED L1-L8相連，LED為低電平點亮；功能選擇位VGA3.0狀態(tài)為0001，即16位撥碼開關SW1-SW6被選中輸出到總線D15.0；控制撥碼開關SW1-SW6，觀察L1-L8顯示狀態(tài)是否與預期輸出結果一致。（6）實驗報告簡述3-8譯碼器原理，并根據提供的程序代碼改用i

21、f語句描述，并給出其波形仿真結果；根據撥碼開關的控制位置，簡述實驗箱變化情況。實驗七 計數器的設計（1）實驗目的進一步學習并掌握Quartus II 開發(fā)系統的基本操作，熟悉設計計數器電路與仿真的方法，掌握CPLD/FPGA的開發(fā)流程。（2）實驗原理：計數器是邏輯電路中使用最廣泛的電路，并且在復雜電路的設計中幾乎離不開計數器。計數器的計數功能是在時鐘信號的控制下進行的，當時鐘出現上升沿，則計數一次，以此類推，直至計數到最大值，在時鐘上升沿時，返回到起點。（3）實驗內容設計一個簡單的4位二進制計數器，相當于16進制計數器。library ieee; use ieee.std_logic_1164

22、.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt4 ISport( clk: in std_logic; q: out std_logic_vector(3 downto 0);end cnt4;architecture behave of cnt4 issignal q1: std_logic_vector(3 downto 0);begin process(clk) begin if (clkevent and clk = 1) then q1=q1+1; end if;end process; q=q1;end behave;利用Quartu

23、s II軟件進行編譯、仿真，驗證該計數器的功能。根據之前所學內容，設計一個可以在實驗箱上顯示的計數器。（4）實驗報告給出計數器的程序代碼，提供波形仿真結果。實驗八 數控分頻器的設計（1）實驗目的學習數控分頻器的設計、分析和測試方法。（2）實驗原理分頻器電路的實質其實就是計數器的設計。對于二進制計數器，每一個輸出端都是對前一個輸出端的二分頻。數控分頻器是利用計數器可并行預置的加法計數器完成的。方法是將計數器溢出位與預置數加載輸入信號加減即可。這種方法類似于單片機的定時器工作模式。（3）實驗內容設計數控分頻器library ieee;use std_logic_1164.all;use std_l

24、ogic_unsigned.all;entity freq1 is port(clk: in std_logic; d: in std_logic_vector(7 downto 0);fout: out std_logic);end;architecture one of dvf issignal full: std_logic;beginp_reg:process(clk)variable cnt8: std_logic_vector(7 downto 0); begin if clkevent and clk=1 then if cnt8=“11111111” then- CNT8計數計

25、滿時 cnt8:=d; -輸入數據D被同步預置給CNT8 full=1; -溢出標志信號FULL輸出高電平elsecnt8:=cnt8+1; -否則繼續(xù)作加1計數full=0; -輸出溢出標志信號FULL為低電平 end if; end if;end process p_reg;p_div:process(full)variable cnt2: std_logic;beginif fullevent and full=1 thencnt2:=not cnt2; -如果溢出標志信號FULL為高電平，T觸發(fā)器輸出取反if cnt2=1thenfout=1;elsefout=0;end if;end

26、 if;end process p_div;end;利用Quartus II軟件進行編譯、仿真，驗證該數控分頻器的功能。（4）思考題根據上述數控分頻器源程序，對程序進行修改，可以完成任意分頻功能。具體實現的分頻數根據課堂隨機設置，每小組均不同。（5）實驗報告給出數控分頻器的程序代碼，實驗步驟并提供波形仿真結果。寫出課堂隨機分頻器的源程序代碼。實驗九 鎖存器的設計（1）實驗目的掌握生成語句的設計方法，熟悉Quartus II軟件的操作及仿真過程。（2）實驗原理鎖存器是一種用來暫時保存數據的邏輯器件，當使能輸入端ena為高電平時，鎖存器處于工作狀態(tài)，輸出q3.0=d3.0；當輸入端ena為低電平，

27、鎖存器的狀態(tài)保持不變。本實驗利用生成語句來完成一個4位鎖存器的設計。（3）實驗內容設計1位鎖存器library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity latch1b isport(d: in std_logic; ena: in std_logic; -使能端 q: out std_logic);end latch1b;architecture art of latch1b is begin process(d,ena) begin if ena=1 thenq=d; end if;end process;end art;利用Quartus II軟件進

28、行編譯、仿真，驗證一位鎖存器的功能。將元件聲明裝入my_package程序包中，便于生成語句的元件例化。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;package my_package iscomponent latch1b port(d:in std_logic; ena:in std_logic; q: out std_logic);end component;end;利用生成語句重復調用4個latch1b來完成頂層文件的設計。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use work.my_package.al

29、l; -用戶自定義程序包entity latch4d isport(d: in std_logic_vector(3 downto 0); oen: in bit; q:out std_logic_vector(3 downto 0);end latch4d;architecture one of latch4d is signal sig_save:std_logic_vector(3 downto 0);begin getlatch:for n in 0 to 3 generate-循環(huán)例化4個1位鎖存器lat : latch1b port map(d(n),g,sig_save(n);

30、-關聯 end generate; q=sig_save when oen=0else ZZZZ;end one;利用Quartus II軟件進行編譯、仿真，并驗證4位鎖存器的功能。（3）思考題根據上述生成語句描述的鎖存器，用元件例化語句完成上述鎖存器的設計。（4）實驗報告寫出鎖存器的兩種描述語句的源程序，給出波形仿真結果，分析比較其結果。實驗十 4選1多路選擇器（1）實驗目的通過4選1多路選擇器的設計，掌握if語句、case語句、when.else語句及with.select語句的使用及相互轉換，熟悉軟件的使用。（2）實驗原理4選1多路選擇器關系表輸入輸出XS1S0Ya00ab01bc10c

31、d11d其中輸入數據端口為a、b、c、d，s1、s0為控制信號，Y為輸出。令S1S0=“00”時，輸出Y=a；令S1S0=“01”時，輸出Y=b；令S1S0=“10”時，輸出Y=c； 令S1S0=“11時，輸出Y=d；（3）實驗內容4選1多路選擇器參考代碼：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;entity mux4 is port( input: in std_logic_vector(3 downto 0); a,b: in std_logic; y: out std_logic); end mux4; architecture be_mux4

32、OF mux4 is signal sel: std_logic_vector(1 downto 0); begin sel=b&a; process(input,sel) begin if(sel=00) then y=input(0);elsif (sel=01) then y=input(1);elsif (sel=10) then y=input(2);else y=input(3);end if;end process;end be_mux4;（4）思考題根據上述if語句4選1多路選擇器的程序，完成case語句、when.else語句及with.select語句的描述。（5）實驗報告要求寫出四種語句的4選1多路選擇器的程序、原理及波形仿真結果。實驗十一 循環(huán)彩燈控制器的設計（1）實驗目的掌握狀態(tài)機的設計方法，鞏固case語句及Quartus II軟件的操作與仿真。（2）實驗原理設計一個循環(huán)彩燈控制器，該控制器控制LED 8個發(fā)光管循環(huán)發(fā)亮。要求：LED等按照一定的變化規(guī)律進