可编程逻辑器件—组合逻辑电路(新试验箱)

1、可编程逻辑器件可编程逻辑器件组合逻辑电路组合逻辑电路实验目的（1）熟悉）熟悉Quartus II软件中使用文本输入法进软件中使用文本输入法进行电路设计和仿真行电路设计和仿真（2）了解组合逻辑电路的设计方法，学会使用）了解组合逻辑电路的设计方法，学会使用VHDL语言进行简单的逻辑电路设计语言进行简单的逻辑电路设计预习要求（1）熟悉中规模集成芯片）熟悉中规模集成芯片74138的引脚排列和的引脚排列和逻辑功能逻辑功能（2）熟悉可编程逻辑设计的基本方法）熟悉可编程逻辑设计的基本方法 74LS138逻辑功能表 G1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

2、0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0BG2AG2 A2 A1 A0Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 实验内容 1、熟练使用Quartus 软件进行程序设计 、利用利用VHDL语言编程实现语言编程实现74138逻辑功能，逻辑功

3、能，进行软件仿真和硬件测试进行软件仿真和硬件测试。报告要求1）VHDL描述描述74LS138的程序的程序2）仿真波形）仿真波形附录：Quartus II使用1.file/new project wizard2.file/new建建VHDL文本文件，保存的同时新建一个工程，文本文件，保存的同时新建一个工程，该工程名要和文件中的实体名相一致。该工程名要和文件中的实体名相一致。3.Start compilation开始编译开始编译4.在在file下新建波形文件用于仿真下新建波形文件用于仿真file/new/vector waveform file /点击鼠标右键点击鼠标右键Insert/insert

4、 node or bus/node find/list把端口全部导入波形图中，保存把端口全部导入波形图中，保存波形文件。点击波形文件。点击Start simulation,得仿真波形结果。得仿真波形结果。5.Assignments/pins(管脚锁定、编译）管脚锁定、编译）6.下载（下载（programmer/hardware setup(USB) mode:JTAG4、管脚锁定。输入输出端口配上实验板上、管脚锁定。输入输出端口配上实验板上FPGA的引脚，这是下载程序到实验板上的关的引脚，这是下载程序到实验板上的关键。键。芯片选择：芯片选择：EP3C16Q240C8思考：在做仿真时，思考：在做

5、仿真时，Quartus提供了哪二种仿真？这二种仿真的区别，以及如提供了哪二种仿真？这二种仿真的区别，以及如何调用这二种仿真？何调用这二种仿真？下载硬件设置：打开下载硬件设置：打开QUARTUS 2,菜单菜单tool/license setup/ 用对话框中用对话框中MAC地地址替换原文件址替换原文件license.dat中的两处中的两处MAC地址，并保存。然后重新加入地址，并保存。然后重新加入license.datc:/altera/81/quartus/bin/license.dat管脚锁定部件名称部件名称SW1SW2SW3SW4SW5引脚名称P72P76P80P82P84部件名称部件名称S

6、W6SW7SW8SW9SW10引脚名称P86P88P94P98P100部件名称部件名称LED1LED2LED3LED4LED5引脚名称P237P238P239P240P4部件名称部件名称LED6LED7LED8引脚名称P5P6P9LED灯灯 SW 拨码开关拨码开关管脚锁定部件名称部件名称SW1SW2SW3SW4SW5引脚名称P72(g1)P76(g2a)P80(g2b)P82(c)P84(b)部件名称部件名称SW6SW7SW8SW9SW10引脚名称P86(a)P88P94P98P100部件名称部件名称LED1LED2LED3LED4LED5引脚名称P237(y0)P238(y1)P239(y2

7、)P240(y3)P4(y4)部件名称部件名称LED6LED7LED8引脚名称P5(y5)P6(y6)P9(y7)LED灯灯 SW 拨码开关拨码开关Quartus II软件及其使用1 Quartus的使用及设计流程的使用及设计流程 2 Quartus II设计正弦信号发生器设计正弦信号发生器 小结小结 Quartus是是Altera公司推出的新一代开发软件，适合于公司推出的新一代开发软件，适合于大规模逻辑电路设计。大规模逻辑电路设计。Quartus软件的设计流程概括为设计软件的设计流程概括为设计输入、设计编译、设计仿真和设计下载等过程。输入、设计编译、设计仿真和设计下载等过程。Quartus支

8、支持多种编辑输入法，包括图形编辑输入法，持多种编辑输入法，包括图形编辑输入法，VHDL、Verilog HDL和和AHDL的文本编辑输入法，符号编辑输入法，以及内存的文本编辑输入法，符号编辑输入法，以及内存编辑输入法。编辑输入法。Quartus与与MATLAB和和DSP Builder结合可以进结合可以进行基于行基于FPGA的的DSP系统开发，是系统开发，是DSP硬件系统实现的关键硬件系统实现的关键EDA工具，与工具，与SOPC Builder结合，可实现结合，可实现SOPC系统开发。系统开发。 1 Quartus II的使用及设计流程的使用及设计流程 1.1 Quartus II的图形编辑输

9、入法的图形编辑输入法 在在Quartus II平台上，使用图形编辑输入法设计电路的操平台上，使用图形编辑输入法设计电路的操作流程包括编辑、编译、仿真和编程下载等基本过程。用作流程包括编辑、编译、仿真和编程下载等基本过程。用Quartus II图形编辑方式生成的图形文件的扩展名为图形编辑方式生成的图形文件的扩展名为.gdf或或.bdf。为了方便电路设计，设计者首先应当在计算机中建立。为了方便电路设计，设计者首先应当在计算机中建立自己的工程目录，例如用自己的工程目录，例如用myedamybdf文件夹存放设计文件夹存放设计.bdf文件，用文件，用myedamyvhdl文件夹存放设计文件夹存放设计.v

10、hd文件等。文件等。 1.1. 编辑设计文件编辑设计文件 打开Quartus集成环境后，呈现如图1所示的主窗口界面。 图1 Quartus II主窗口界面主窗口界面打打开开项项目目导导航航窗窗口口打打开开消消息息窗窗口口打打开开状状态态窗窗口口创创建建相相当当文文本本文文件件创创建建新新的的图图形形文文件件创创建建新新的的符符号号文文件件创创建建新新的的内内存存文文件件创创建建新新的的波波形形文文件件打打开开改改变变设设置置窗窗口口开开始始编编译译开开始始仿仿真真打打开开编编程程器器窗窗口口填入项目所在的填入项目所在的文件夹名文件夹名填入顶层项目名填入顶层项目名填入底层项目名填入底层项目名图2

11、 建立新的项目对话框建立新的项目对话框(1)(1)建立设计项目（建立设计项目（Project）。）。 执行File|New Project Wizard命令，弹出如图2所示的建立新设计项目的对话框。 (3)(3)进入文本编辑方式。进入文本编辑方式。 执行执行File|New命令，弹出如图命令，弹出如图3 3所示的编辑文件类型对话框，选择所示的编辑文件类型对话框，选择 “VHDL FILE”方式。方式。 图5 文本编辑窗口保存文件，后缀名为保存文件，后缀名为VHD，文件名要与实体名一致，文件名要与实体名一致2. 编译设计文件编译设计文件 在编译设计文件前，应先选择下载的目标芯片，否则系统在编译设

12、计文件前，应先选择下载的目标芯片，否则系统将以默认的目标芯片为基础完成设计文件的编译。在将以默认的目标芯片为基础完成设计文件的编译。在Quartus II集成环境下，执行集成环境下，执行Assignments|DeviceAssignments|Device命令，在如命令，在如图图6 6所示弹出器件选择对话框的所示弹出器件选择对话框的Family栏目中选择目标芯片系栏目中选择目标芯片系列名，列名，如如Cyclone III，然后在然后在Available devices栏目中用鼠栏目中用鼠标点黑选择的目标芯片型号，标点黑选择的目标芯片型号，如如EP3C16Q240C8，选择结束选择结束单击单击

13、OK按按键。键。 执行执行Processing|StartProcessing|Start Compilation Compilation命令，或者按命令，或者按“开始开始编译编译”按键，即可进行编译，编译过程中的相关信息将在按键，即可进行编译，编译过程中的相关信息将在“消息窗口消息窗口”中出现。中出现。 图6 目标芯片选择对话框3.3. 仿真设计文件仿真设计文件仿真一般需要经过建立波形文件、输入信号节点、设仿真一般需要经过建立波形文件、输入信号节点、设置波形参量、编辑输入信号、波形文件存盘、运行仿真器置波形参量、编辑输入信号、波形文件存盘、运行仿真器和分析仿真波形等过程。和分析仿真波形等过程

14、。 （1）建立波形文件）建立波形文件 执行执行File|New命令，在弹出编辑文件类型对话框中，命令，在弹出编辑文件类型对话框中，选择选择Other Files中的中的Vector Waveform File方式后单击方式后单击OK按键，或者直接按主窗口上的按键，或者直接按主窗口上的“创建新的波形文件创建新的波形文件”按钮，进入按钮，进入QuartusII波形编辑方式。波形编辑方式。 （2）输入信号节点）输入信号节点 在波形编辑方式下，执行在波形编辑方式下，执行Edit|Insert Node or Bus命令，命令，或在波形文件编辑窗口的或在波形文件编辑窗口的Name栏中点击鼠标右键，在弹出

15、的栏中点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择菜单中选择“Insert Node or Bus”命令，即可弹出插入节命令，即可弹出插入节点或总线点或总线(Insert Node or Bus)对话框对话框 ，如图，如图7所示。所示。 图图7 插入信号节点对话框插入信号节点对话框图8 节点对话框节点对话框本试验对输入输出的管脚信号进行仿真，所以在本试验对输入输出的管脚信号进行仿真，所以在Filter 中选择中选择 Pins：all，点击，点击List 按钮，按钮， 选择需要进行仿真的端口通过中间的按钮加入到右栏中，点选择需要进行仿真的端口通过中间的按钮加入到右栏中，点击击OK，端口加入到波形文件中，如下

16、图；，端口加入到波形文件中，如下图；（3）设置波形参量）设置波形参量 Quartus II默认的仿真时间域是100ns，如果需要更长时间观察仿真结果，可执行Edit|End Time选项，在弹出的End Time选择窗中，选择适当的仿真时间域。 图9 设置仿真时间域对话框（4）编辑输入信号）编辑输入信号选择一段波形，通过左边的设置工具条，给出需要的值，设置完选择一段波形，通过左边的设置工具条，给出需要的值，设置完成激励波形成激励波形。（5）波形文件存盘）波形文件存盘 执行执行“File”File”选项的选项的“Save”Save”命令，在弹出的命令，在弹出的“Save as”Save as”对

17、话框中直接按对话框中直接按“OK”OK”键即可完成波形文件的存盘。在波形文件键即可完成波形文件的存盘。在波形文件存盘操中，系统自动将波形文件名设置设计文件名同名，但文件存盘操中，系统自动将波形文件名设置设计文件名同名，但文件类型是类型是.vwf.vwf。例如，全加器设计电路的波形文件名为。例如，全加器设计电路的波形文件名为“adder_1.vwf”adder_1.vwf”。（6）运行仿真器）运行仿真器执行执行Processing|Start Simulation命令，或单击命令，或单击Start Simulation按键，即可对全加器设计电路进行仿真。按键，即可对全加器设计电路进行仿真。 图1

18、0 全加器的仿真波形4. 编程下载设计文件编程下载设计文件编程下载设计文件包括引脚锁定和编程下载两个部分。编程下载设计文件包括引脚锁定和编程下载两个部分。（1）引脚锁定）引脚锁定 在目标芯片引脚锁定前，需要确定使用的在目标芯片引脚锁定前，需要确定使用的EDA硬件开发硬件开发平台及相应的工作模式。然后确定了设计电路的输入和输出平台及相应的工作模式。然后确定了设计电路的输入和输出端与目标芯片引脚的连接关系，再进行引脚锁定。端与目标芯片引脚的连接关系，再进行引脚锁定。 执行执行Assignments|Assignments Editor命令或者直接单击命令或者直接单击Assignments Edit

19、or按钮，弹出如图按钮，弹出如图11所示的赋值编辑对话框，在对话所示的赋值编辑对话框，在对话框的框的Category栏目选择栏目选择Pin项。项。 图11 赋值编辑对话框用鼠标双击用鼠标双击Name栏目下的栏目下的，在其下拉菜单中列，在其下拉菜单中列出了设计电路的全部输入和输出端口名，例如全加器的出了设计电路的全部输入和输出端口名，例如全加器的a、b、cin、cout和和sum端口等。用鼠标选择其中的一个端口后，端口等。用鼠标选择其中的一个端口后，再用鼠标双击再用鼠标双击Location栏目下的栏目下的，在其下拉菜单中，在其下拉菜单中列出了目标芯片全部可使用的列出了目标芯片全部可使用的I/O端

20、口，然后用鼠标选择其中端口，然后用鼠标选择其中的一个的一个I/O端口。例如，全加器的端口。例如，全加器的a、b、cin、cout和和sum端端口，分别选择口，分别选择Pin_23 、Pin_22、 Pin_21、Pin_37和和Pin_36。赋值编辑操作结束后，存盘并关闭此窗口，完成引。赋值编辑操作结束后，存盘并关闭此窗口，完成引脚锁定。脚锁定。 锁定引脚后还需要对设计文件重新编译，产生设计电路的锁定引脚后还需要对设计文件重新编译，产生设计电路的下载文件（下载文件（.sof）。）。 （2）编程下载设计文件）编程下载设计文件 在编程下载设计文件之前，在编程下载设计文件之前，需要进行硬件测试系统，

21、需要进行硬件测试系统，通过计算机通过计算机的的USB接接口接口与硬件连接口接口与硬件连接好，打开电源。好，打开电源。 首先设定编程方式。执行首先设定编程方式。执行Tools|Programmer命令或者命令或者直接直接单击按钮单击按钮 ，弹弹出如图出如图12所示的设置编程方式窗口。所示的设置编程方式窗口。 图12选择选择Hardware Setup ，如图所示；，如图所示；点击点击Add Hardware的添加硬件的添加硬件图15 添加硬件对话框选择下载模式，本实验板可采用两种配置方式，选择下载模式，本实验板可采用两种配置方式，AS模式对模式对配置芯片下载，可以掉电保持，而配置芯片下载，可以掉

22、电保持，而JTGA模式对模式对FPGA下载，下载，掉电后掉电后FPGA信息丢失，每次上电都需要重新配置，本实信息丢失，每次上电都需要重新配置，本实验选择验选择JTGA方式，如图所示。方式，如图所示。选择选择下载文件下载文件 用鼠标点击下载方式窗口左边的用鼠标点击下载方式窗口左边的Add File（添加文件）按（添加文件）按键，在弹出的键，在弹出的Select Programming File（选择编程文件）的对（选择编程文件）的对话框中，选择全加器设计工程目录下的下载文件话框中，选择全加器设计工程目录下的下载文件Adder_1.sof。 图13 选择下载文件对话框（3）编程下载）编程下载 执行执行Processing|Stare Programming命令或者直接按命令或者直接按Start Programm