EDA技术与应用_EDA技术的应用

1、2021-11-241第第7 7章章 EDAEDA技术的应用技术的应用 本章概要：本章通过用硬件描述语言本章概要：本章通过用硬件描述语言VHDL和和Verilog HDL实现的设计实例，进一步介绍实现的设计实例，进一步介绍EDA技术在组合逻辑、时序逻技术在组合逻辑、时序逻辑电路设计以及在测量仪器、通信系统和自动控制等技术领辑电路设计以及在测量仪器、通信系统和自动控制等技术领域的综合应用。本章列出的全部域的综合应用。本章列出的全部HDL源程序均通过源程序均通过Quartus II或或ModelSim工具软件的编译。工具软件的编译。知识要点：（知识要点：（1）VHDL的组合逻辑、时序逻辑以及综合应

2、的组合逻辑、时序逻辑以及综合应用实例。用实例。 （2）Verilog HDL的组合逻辑、时序逻辑以及综合应的组合逻辑、时序逻辑以及综合应用的实例。用的实例。 （3）VHDL和和Verilog HDL实现系统设计的实例。实现系统设计的实例。教学安排：本章教学安排教学安排：本章教学安排8学时。学时。2021-11-2427.1 7.1 组合逻辑电路设计应用组合逻辑电路设计应用7.1.1 8 8位乘法器的设计位乘法器的设计 8 8位乘法器的元件符号如图位乘法器的元件符号如图7.17.1所示，所示，a7.0a7.0和和b7.0b7.0是被乘数和乘数输入端，是被乘数和乘数输入端，q15.0q15.0是乘

3、积输出端。是乘积输出端。 8位乘法器元件符号位乘法器元件符号2021-11-243用用VHDL描述的描述的8位乘法器源程序如下：位乘法器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mul ISPORT(a,b: IN integer range 0 to 255;q: OUT integer range 0 to 65535); END mul; ARCHITECTURE one OF mul IS BEGIN q S S S S S S S S S S S S S S S S S = B0000; END CASE;END P

4、ROCESS ;END struc;2021-11-249Verilog HDL描述如下描述如下:Module hcoder(x,y,s);input3:0 x,y;output3:0s;reg3:0s;alwaysbegincase (x,y) 8b11101110:s=0;8b11101101:s=1;8b11101011:s=2;8b11100111:s=3;8b11011110:s=4;2021-11-24108b11011101: s=5;8b11011011: s=6;8b11010111: s=7;8b10111110: s=8;8b10111101: s=9;8b1011101

5、1: s=10;8b10110111: s=11;8b01111110: s=12;8b01111101: s=13;8b01111011: s=14;8b01110111: s=15; default :s=0;endcase endendmodule2021-11-24117.1.3 译码器设计译码器设计 3线线-8线译码器的元件符号如图线译码器的元件符号如图7.6所示，所示，ENA是译码器是译码器的使能控制输入端，当的使能控制输入端，当ENA=1时，译码器不能工作，时，译码器不能工作，8线输线输出出Y7.0=11111111（译码器的输出有效电平为低电平）；（译码器的输出有效电平为低电平

6、）；当当ENA=0时，译码器工作。时，译码器工作。C、B、A是是3线数据输入端，译线数据输入端，译码器处于工作状态时，当码器处于工作状态时，当CBA=000时，时，Y7.0=11111110（即（即Y0=0）；当）；当CBA=001时，时，Y7.0=11111101（即（即Y1=0）；依此类推。）；依此类推。 3线线-8线译码器的元件符号线译码器的元件符号2021-11-2412用用VHDL描述的源程序如下：描述的源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Decoder ISPORT(a,b,c,ena:IN BIT; y:OU

7、T BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); END Decoder; ARCHITECTURE one OF Decoder ISBEGIN PROCESS(a,b,c,ena)VARIABLE cba:BIT_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGINcba:=(c & b & a); 2021-11-2413IF (ena=1) THEN y y y y y y y y y NULL;END CASE; END IF; END PROCESS; END one; 2021-11-2414用用Verilog HDL描述的描述的3线线-8线译码器源程序如下：线译

8、码器源程序如下：moduledecoder(a,b,c,ena,y);inputa,b,c,ena;output7:0 y;reg7:0y;alwaysbeginif (ena=1) y = b11111111; elsecase (c,b,a) b000: y= b11111110;b001: y= b11111101;2021-11-2415b010: y= b11111011;b011: y= b11110111;b100: y= b11101111;b101: y= b11011111;b110: y= b10111111;b111: y= b01111111; default : y

9、= b11111111; endcaseendendmodule 2021-11-24167.1.4 16选1数据选择器设计数据选择器设计 16选选1数据选择器的元件符号如图数据选择器的元件符号如图7.8所示，所示，ENA是使能是使能控制输入端，当控制输入端，当ENA=1时，电路不能工作，输出时，电路不能工作，输出Y=0；ENA=0时，电路处于工作状态。时，电路处于工作状态。A15.0是数据输入端，是数据输入端，S3、S2，S1和和S0是数据选择控制端，当电路处于工作状态时是数据选择控制端，当电路处于工作状态时（ENA=0），若），若S3S2S1S0=0000，则输入，则输入A0被选中，输出被

10、选中，输出Y=A0；若；若S3S2S1S0=0001，则输入，则输入A1被选中，输出被选中，输出Y=A1；依此类推。；依此类推。 16选选1数据选择器元件符号数据选择器元件符号2021-11-2417用用VHDL描述的描述的16选选1数据选择器数据选择器源程序如下：源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mux16_1 ISPORT (s0,s1,s2,s3,ena: IN STD_LOGIC; a: IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); y: OUT STD_LOGIC);END mux16_

11、1;ARCHITECTURE one OF mux16_1 ISSIGNAL s: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN s=s0&s1&s2&s3; -将将s0,s1,s2和和s3并为并为s2021-11-2418PROCESS(s0,s1,s2,s3,ena) BEGINIF ena=1 THEN y y y y y y y y y y y y y y y y y y b THEN fa = 1;fb = 0;fe = 0;ELSIF a b THEN fa = 0;fb = 1;fe = 0;ELSIF a = b THEN fa

12、 = 0;fb = 0;fe b) begin fa = 1; fb = 0; fe = 0; endelse if (a b) begin fa = 0; fb = 1; fe = 0; endelse if (a = b) begin fa = 0; fb = 0; fe = 1; end endendmodule 2021-11-24267.1.6 ROM的设计的设计对于容量不大的对于容量不大的ROM，可以用，可以用VHDL的的case语句来实现。下语句来实现。下面是用面是用case语句实现语句实现88位位ROM的源程序的源程序 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOG

13、IC_1164.ALL;ENTITY from_rom ISPORT(addr : ININTEGER RANGE 0 TO 7;ena: IN STD_LOGIC;q: OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END from_rom;ARCHITECTURE a OF from_rom IS BEGIN 2021-11-2427PROCESS (ena,addr) BEGINIF (ena=1) THEN q q q q q q q q q=01001000;END CASE;2021-11-2428END IF; END PROCESS ;END a; 由由VHD

14、L源代码生成的源代码生成的88位位ROM的元件符号如图所示，的元件符号如图所示，其中其中ADDR3.0是地址输入端，是地址输入端，ENA是使能控制输入端，当是使能控制输入端，当ENA=1时，时，ROM不能工作，输出不能工作，输出Q7.0为高阻态，为高阻态，ENA=0时，时，ROM工作，其输出的数据由输入地址决定。工作，其输出的数据由输入地址决定。 88位位ROM的元件符号的元件符号2021-11-2429用用Veilog HDL实现实现88位位ROM的源程序如下：的源程序如下：module from_rom(addr,ena,q); input 2:0 addr;input ena; outp

15、ut 7:0 q;reg 7:0 q;always (ena or addr)beginif (ena)q = bzzzzzzzz;elsecase (addr) 0:q = b01000001;1:q = b01000010;2021-11-24302:q = b01000011;3:q = b01000100;4:q = b01000101;5:q = b01000110;6:q = b01000111;7:q = b01001000; default :q = bzzzzzzzz; endcase endendmodule 2021-11-24317.2 7.2 时序逻辑电路设计应用时序

16、逻辑电路设计应用 7.2.1 JK触发器设计触发器设计JK触发器的元件符号如图触发器的元件符号如图7.14所示，其中所示，其中J、K是数据输入端，是数据输入端，CLR是复位控制输入端，当是复位控制输入端，当CLR=0时，触发器的状态被置为时，触发器的状态被置为0态；态；CLKCLK是时钟输入端；是时钟输入端；Q Q和和QNQN是触发器的两个互补输出端。是触发器的两个互补输出端。 JK触发器的元件符号触发器的元件符号2021-11-2432用用VHDL描述的描述的JK触发器源程序如下：触发器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTIT

17、Y myjkff ISPORT(j,k,clr:IN STD_LOGIC; clk:IN STD_LOGIC; q,qn:BUFFER STD_LOGIC);END myjkff;ARCHITECTURE one OF myjkff ISBEGINPROCESS(j,k,clr,clk) VARIABLE jk:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN2021-11-2433jk:=(j & k); IF clr=0 THEN q=0;qn q =q; qn q = 0; qn q = 1;qn q = NOT q;qn NULL;END CASE ; E

18、ND IF;END PROCESS;END one; 2021-11-2434用用Verilog HDL描述的描述的JK触发器源程序如下：触发器源程序如下：module myjkff(j,k,clr,clk,q,qn); input j,k,clr,clk;output q,qn; reg q,qn;always (negedge clr or negedge clk) beginif (clr)begin q = 0; qn = 1; endelse case (j,k)b00: begin q = q; qn = qn; endb01: begin q = 0; qn = 1; end20

19、21-11-2435b10: begin q = 1; qn = 0; endb11: begin q = q; qn = qn; enddefault begin q = 0; qn = 1;end endcase endendmodule 2021-11-24367.2.2 8D锁存器设计锁存器设计 具有三态输出的具有三态输出的8D锁存器元件符号如图所示。锁存器元件符号如图所示。CLR是复是复位控制输入端，当位控制输入端，当CLR=0时，时，8位数据输出位数据输出Q7.0=00000000。ENA是使能控制输入端，当是使能控制输入端，当ENA=1时，时，锁存器处于工作状态，输出锁存器处于工

20、作状态，输出Q7.0D7.0；ENA=0时，锁时，锁存器的状态保持不变。存器的状态保持不变。OE是三态输出控制端，当是三态输出控制端，当OE=1时，时，输出为高阻态；输出为高阻态；OE=0时，锁存器为正常输出状态。时，锁存器为正常输出状态。 8D锁存器元件符号锁存器元件符号2021-11-2437用用VHDL描述的描述的8D锁存器源程序如下：锁存器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY latch8 ISPORT(clr,clk,ena,oe:IN STD_LOGIC; d:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOW

21、NTO 0); q:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END latch8;ARCHITECTURE one OF latch8 ISSIGNAL q_temp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN 2021-11-2438u1:PROCESS(clk,clr,ena,oe) BEGINIF clr=0 THEN q_temp = 00000000; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THENIF (ena=1) THEN q_temp = d;END IF; END IF; IF oe=1 THEN q

22、= ZZZZZZZZ; ELSE q = q_temp; END IF; END PROCESS u1;END one; 2021-11-2439用用Verilog HDL描述三态输出描述三态输出8D锁存器的源程序如下：锁存器的源程序如下：module latch8v(clk,clr,ena,oe,q,d); input 7:0 d; input clk,clr,ena,oe; output 7:0 q; reg 7:0 q,q_temp;always (posedge clk)beginif (clr)q_temp = 0;else if (ena) q_temp = d;else q_te

23、mp = q; if (oe) q = 8bzzzzzzzz; else q = q_temp; endendmodule 2021-11-24407.2.3 8位双向移位寄存器设计位双向移位寄存器设计 8位双向移位寄存器电路的元件符号如图位双向移位寄存器电路的元件符号如图7.18所示，其中所示，其中CLR是复位控制输入端；是复位控制输入端；LOD是预置控制输入端；是预置控制输入端；S是移位方是移位方向控制输入端，当向控制输入端，当S=1时，是右移移位寄存器，时，是右移移位寄存器，S=0时，是左时，是左移移位寄存器；移移位寄存器；DIR是右移串入输入信号；是右移串入输入信号；DIL是左移串入输

24、是左移串入输入信号。入信号。 8位双向移位寄存器元件符号位双向移位寄存器元件符号2021-11-2441用用VHDL描述的描述的8位双向移位寄存器源程序如下：位双向移位寄存器源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY rlshift ISPORT(clr,lod,clk,s,dir,dil:IN BIT; d:IN BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); q:BUFFER BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0);END rlshift;ARCHITECTURE one OF rlshift IS SIGNAL q_

25、temp:BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(clr,clk,lod,s,dir,dil) BEGIN2021-11-2442IF clr=0 THEN q_temp = 00000000;ELSIF clkEVENT AND clk=1 THENIF (lod=1) THENq_temp = d; ELSIF (S=1) THEN FOR i IN 7 downto 1 LOOP -实现右移操作实现右移操作 q_temp(i-1) = q(i);END LOOP ;q_temp(7) = dir;ELSE 2021-11-2443FOR i IN 0

26、TO 6 LOOP -实现左移操作实现左移操作 q_temp(i+1) = q(i);END LOOP ;q_temp(0) = dil;END IF; END IF;q 1;-实现右移操作实现右移操作 q7 = dir; end2021-11-2445else begin q = q 1;-实现左移操作实现左移操作 q0 = dil; end endendmodule 2021-11-24467.2.4 8位二进制加减计数器设计位二进制加减计数器设计8位二进制加减计数器的元件符号如图位二进制加减计数器的元件符号如图7.20所示，所示，CLR是复位是复位控制输入端；控制输入端；ENA是使能控制输入端；是使能控制输入端；LOAD是预置控制输入是预置控制输入端；端；D7.0是是8位并行数据输入端；位并行数据输入端；UPDOWN是加减控制输是加减控制输入端，当入端，当UPDOWN=0时，计数器作加法操作，时，计数器作加法操作，UPDOWN=1时，计数器作减法操作；时，计数器作减法操作；COUT是进是进/借位输出端。借位输出端。 8位二进制加减计数器元件符号位二进制加减计数器元件符号2021-11-2447用用VHDL描述的描述的8位二进制加减计数器源程序如下：位二进制加减计数器源程序如下：LIBRA