FPGA可編程數字邏輯電路入門實驗分享給大家

ID:611768 · 發表于 2019-9-15 20:53

課程名稱：數字邏輯電路實驗A

第二次試驗

實驗名稱：可編程數字邏輯設計基礎

院系：電子科學與工程學院

專業：電子科學與技術（類）

實驗準備：

目的和要求：

了解可編程數字系統設計的流程
掌握Quartus軟件的使用方法
掌握競爭和冒險的基本概念和電路的時延分析方法

實驗原理及實現方案：

實驗原理：

觀察并記錄實驗箱上的FPGA型號，新建一個Project,器件選用實驗箱上的FPGA;

由于硬木課堂上的FPGA型號為”Cyclone Ⅳ”，而實驗所采用的版本Quartus9.1不支持此型號，所以在新建project時，在Assignment中選擇Device,選擇其中的Family下拉框，點擊“CycloneⅢ”，Available devices列表中選擇EP3C5E144C8,點擊“OK”即可。

用“AND2”和“XOR”器件設計一個1位半加器，并用功能仿真進行驗證；

設計方案：①AND2為一個二輸入與門，XOR為二輸入異或門，因為一位半加器無進位輸入量，所以設輸入變量為A與B，輸出變量為S和C，S為結果，C為進位輸出量。

②根據一位半加器的要求列出真值表如下表所示：

輸入變量		輸出變量
A	B	S	C
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

③因為輸入量個數較少，直接根據真值表可得S=A’B+AB’,即為A與B的異或；

C=AB，所以據此得到此二輸出的邏輯函數：S=A’B+AB’，C=AB；

④點擊File中的New項，將出現新建文件對話框，選擇“Design File/Block Diagram/Schematic File”項，點擊“OK”即可打開”Block Editor”,雙擊原理圖空白部分，在name欄中分別搜索imput，output，XOR和AND2得到所需元件，然后利用左側繪圖工具建立原理圖，保存在Project的相同文件夾中。如下圖所示：

⑤功能驗證：

首先點擊Project Navigator/files/Device Design Files,選中要編譯的“yiweibanjiaqi.bdf”文件，右鍵將其“Set as Top-level Entity”,先不分配管腳，下面建立輸入激勵波形文件，按照New/Verification/Debugging Files/Vector Waveform File建立文件后雙擊Name空白處，按照Insert Node or Bus/Node Finder/list/”>>”的順序，利用左圖的工具將激勵波形完成后將其“Save”到Project的文件夾中，注意在完善激勵波形的時候用Edit/End time.Grid size設置好截止時間以方便設置周期及后面的時延分析。然后按照“Processing/Simulator Tool/Functional”,然后在Simulator input中指定之前所保存的波形激勵文件，按照“Generate Functional Simulator Netlist”生成功能仿真網表文件，點擊“Start”進行仿真計算，完成后點擊“Report”打開仿真結果波形。仿真結果波形如下：

由上面的輸入輸出波形與真值表相比對輸出結果完全正確，功能驗證完成。

點擊“File”?“Create/Update”“Create Symbol File for Current File”菜單項，將1位半加器封裝成元件。新建一個原理圖文件，調用2個半加器實現一個1位全加器，并用功能仿真進行驗證；

接著上面的功能仿真結束后，直接在當前工程下按照“File/Create/Update/Create Symbol File for Current File”的順序將一位半加器封裝成元件命名為“shiyan2yiweibanjiaqi”，封裝即完成.

設計方案：設計一個一位全加器需要三個輸入量，此處定義為A,B,C,其中A,B為加數與被加數，C為輸入進位量，輸出量為S與C0，S為和，C0為輸出進位，先根據一位全加器的定義列出真值表如下表所示：

輸入量			輸出量
A	B	C	S	C0
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

根據以上真值表列出卡諾圖如下圖所示：

①對S：

BC	00	01	11	10
A	00	01	11	10
0	0	1	0	1
1	1	0	1	0

根據卡諾圖化簡后所得的關于輸出量S的邏輯函數表達式為：S=A⊕B⊕C;

①對C0：

BC	00	01	11	10
A	00	01	11	10
0	0	0	1	0
1	0	1	1	1

根據卡諾圖化簡后所得的關于輸出量C0的邏輯函數表達式為：C0=AB+AC;

由上面的邏輯函數表達式確定原理圖的繪制過程如下：然后按照之前建立原理圖的順序，即點擊File中的New項，將出現新建文件對話框，選擇“Design File/Block Diagram/Schematic File”項，點擊“OK”即可打開”Block Editor”,雙擊原理圖空白部分，在name欄中搜索”yiweibanjiaqi”即可調出剛剛封裝的一位半加器元件，繼續搜索相應的“output/input/7432(或門)”，按照上述邏輯函數進行原理圖的繪制，繪制后的原理圖如下所示：

首先點擊Project Navigator/files/Device Design Files,選中要編譯的“yiweibanjiaqi.bdf”文件，右鍵將其“Set as Top-level Entity”,先不分配管腳，下面建立輸入激勵波形文件，按照New/Verification/Debugging Files/Vector Waveform File建立文件后雙擊Name空白處，按照Insert Node or Bus/Node Finder/list/”>>”的順序，利用左圖的工具將激勵波形完成后將其“Save”到Project的文件夾中，注意在完善激勵波形的時候用Edit/End time.Grid size設置好截止時間以方便設置周期及后面的時延分析。然后按照“Processing/Simulator Tool/Functional”,然后在Simulator input中指定之前所保存的波形激勵文件，按照“Generate Functional Simulator Netlist”生成功能仿真網表文件，點擊“Start”進行仿真計算，完成后點擊“Report”打開仿真結果波形。仿真結果波形如下：

將仿真的結果波形與真值表相比較，結果一致，功能驗證成功完成。

將 1 位全加器封裝成元件，新建原理圖文件，調用 4 個全加器實現一個 4 位行波加法器，用功能仿真進行驗證，用“Tools”“Netlist Viewers”“RTL Viewer”查看電路綜合結果；

接著上面的功能仿真結束后，直接在當前工程下按照“File/Create/Update/Create Symbol File for Current File”的順序將一位全加器封裝成元件命名為“yiweiquanjiaqi”，封裝即完成.

設計方案：設計一個四位行波加法器需要九個輸入量，用C-1,A3,A2,A1,A0,B3,B2,B1,B0來表示，其中C-1為低位位進位，此處置零。設計行波加法器采用并行相加串行進位的方式，低位全加器的進位進到高一位的加法器，由于四位行波加法器的情況較多，我們只從原理的角度進行分析，此處不再列出真值表，根據四位行波加法器的工作原理可畫出下面的原理圖：

然后按照之前建立原理圖的順序，即點擊File中的New項，將出現新建文件對話框，選擇“Design File/Block Diagram/Schematic File”項，點擊“OK”即可打開”Block Editor”,雙擊原理圖空白部分，在name欄中搜索”yiweiquanjiaqi”即可調出剛剛封裝的一位全加器元件，繼續搜索相應的“output/input”，按照上述工作原理進行原理圖的繪制，繪制后的原理圖如下所示：

建立保存原理圖之后，首先點擊Project Navigator/files/Device Design Files,選中要編譯的“yiweiquanjiaqi.bdf”文件，右鍵將其“Set as Top-level Entity”,先不分配管腳，下面建立輸入激勵波形文件，按照New/Verification/Debugging Files/Vector Waveform File建立文件后雙擊Name空白處，按照Insert Node or Bus/Node Finder/list/”>>”的順序，利用左圖的工具將激勵波形完成后將其“Save”到Project的文件夾中，注意在完善激勵波形的時候用Edit/End time.Grid size設置好截止時間以方便設置周期及后面的時延分析。然后按照“Processing/Simulator Tool/Functional”,然后在Simulator input中指定之前所保存的波形激勵文件，按照“Generate Functional Simulator Netlist”生成功能仿真網表文件，點擊“Start”進行仿真計算，完成后點擊“Report”打開仿真結果波形。仿真結果波形如下：

功能驗證結果與邏輯值一致，功能驗證完成。

接著按照題干要求提示查看電路綜合效果，結果如下：

適配編譯，用“Tools”“Netlist Viewers”“Technology Map Viewer”查看電路 Map 結果；用 “Tools”?“Chip Planner”查看器件適配結果；

按照題干查看電路Map結果，效果如下：

按照題干查看器件適配結果，效果如下：

、

6.將 4 位全加器下載到實驗箱，連接邏輯電平開關進行功能驗證（課內驗收）；

硬木課堂上的FPGA為Cyclone Ⅳ，但是Quartus9.1版本的Device中最新版本FPGA只包含Cyclone Ⅲ，故將FPGA先與電腦連接然后打開電腦設備管理器選擇“通用串行總線控制器”，選擇其中的“Altera USB-Blaster”,右鍵選擇“更新驅動程序”，根據向導點擊“瀏覽我的計算機以查找驅動程序軟件”，找到Quartus安裝包中的”drivers”,勾選“包括子文件夾”進行驅動設備的更新即可。

新建project時，在Assignment中選擇Device,選擇其中的Family下拉框，點擊“Cyclone Ⅳ E”，Available devices列表中選擇EP4CE6F17C7,點擊“OK”即可。按照FPGA上面的管腳參數給四位行波加法器分配引腳，將C-1引腳分配至KEY0處，其余用邏輯電平SW0~SW7控制輸入量，輸出利用LED0~LED4的亮與不亮來顯示輸出量，管腳分配完成后，點擊“Programmer”,添加硬件為USB-Blaster,點擊start，開始邏輯電平的功能驗證，已通過課內驗收。

對 1 位半加器，進行時序仿真，并做時延分析，可參考預備知識相關內容；

首先點擊Project Navigator/files/Device Design Files,選中要編譯的“yiweibanjiaqi.bdf”文件，右鍵將其“Set as Top-level Entity”,然后按照“Processing/Simulator Tool”進入仿真頁面，Simulator mode下拉框中選擇“Timing”,激勵波形文件選擇之前建立的“shiyan2yiweibanjiaqi.vmf”文件，start之后選擇Report可以查看仿真結果波形。

在查看仿真結果波形之前，我們先查看電路的時延信息，時延信息如下表所示：

其中RR,RF,FR,FF分別表示輸入信息變化與輸出做出反應之間的時間差，即時延，下面我們查看仿真結果波形，如下圖所示：

然后通過兩個TimeBar來確定時延信息，如圖中所示：當B從0變成1時，C也從0變成1，此時時間差為4.766ns，即為B對C的RR,與上表中比較誤差為4.766-4.759=0.007ns，誤差較小。同理可知，B對S的RF為4.67ns，與表中時延數據相差為0.014ns,誤差較小，B對S的RR=4.746ns，與表格中基本一致，說明時間延遲與表中數據基本一致。可直接按照表中時延數據進行電路的分析。

對 1 位全加器，進行時序仿真，并做時延分析，要求：a) 測量A第1~4個上升沿到對應的的S輸出之間的延遲時間；b) 對輸出S的毛刺進行測量和分析；c) 對輸出C的毛刺進行測量和分析；d) 對測得的時延結果進行分析。

時延信息如下表所示：

a

第一個：時延9.569ns;

第二個：時延9.57ns;

第三個：時延9.569ns;

第四個：時延 9.57ns；

b

此處的輸出毛刺為1.531ns,此處ABC對應的電平為110，S對應的輸出應當為零，但是出現了短暫的毛刺，說明此處存在由于電路延時而出現的競爭冒險情況。

C0的輸出如圖所示，并未出現明顯的毛刺現象。

電路中由于輸入與輸出之間的延時會導致電路出現競爭冒險情況，即在同一時刻，輸入與輸出的情況不對應，就會導致所設計的產品出現工作不穩定的情況，可以通過邏輯函數的化簡來消除競爭冒險情況。

對 4 位全加器，進行時序仿真，并做時延分析，要求： a) 測量 Cin=“0”，B=“0111”，A 從“0000”?“0001” 所對應輸出 S3的時延； b) 測量 Cin=“0”，B=“0110”，A 從“0000”?“0010” 所對應輸出 S3的時延； c) 測量 Cin=“0”，B=“0100”，A 從“0000”?“0100” 所對應輸出 S3的時延； d) 測量 Cin=“0”，B=“0000”，A 從“0000”?“1000” 所對應輸出 S3的時延； e) 測量 Cin=“1”，B=“0000”，A 從“0000”?“0111” 所對應輸出 S3的時延； f) 測量 Cin=“0”，B=“1111”，A 從“0000”?“0001” 所對應輸出 Cout的時延； g) 測量 Cin=“0”，B=“1110”，A 從“0000”?“0010” 所對應輸出 Cout的時延； h) 測量 Cin=“0”，B=“1100”，A 從“0000”?“0100” 所對應輸出 Cout的時延； i) 測量 Cin=“0”，B=“1000”，A 從“0000”?“1000” 所對應輸出 Cout的時延； j) 測量 Cin=“1”，B=“1000”，A 從“0000”?“0111” 所對應輸出 Cout的時延； k) 對測得的時延結果進行分析