数字系统设计及VHDL实践第1章
数字系统设计与veriloghdl课后答案
数字系统设计与veriloghdl课后答案【篇一：数字逻辑与数字系统设计习题参考答案】>第1章习题解答1.3 (1)86(2)219(3)106.25(4)0.6875 (4)0.1011.4 (1)101111(2)1001000(3)100001l.111.5 (1)(117)10=(165)8=(1110101)2=(75)16(2)(3452)10=(6574)8=(110101111100)2=(d7c)16(3)(23768.6875)10=(56330.54)8=(101110011011000.1011)2=(5cd 8.b)16 (4)(0.625)10=(0.5)8=(0.101)2=(0.a)16 1.6(1)(117)8=(1001111)2=(79)10(2)(7456)8=(111100101110)2=(3886)10(3)(23765.64)8=(10 0111 1111 0101.1101)2=(10229.8125)10(4)(0.746)8=(0.11111)2=(0.96875)10 1.7 (1)(9a)16=(10011010)2=(154)10(2) (3cf6)16=(11110011110110)2=(15606)10(3) (7ffe.6)16=(111111*********.011)2=(32766.375)10 (4)(0.c4)16=(0.110001)2=(0.765625)10 1-8(1)(125)10=(000100100101)8421bcd(2)(7342)10=(0111001101000010)8421bcd(3)(2018.49)10=(0010000000011000.01001001)8421bcd(4)(0.785)10=(0.011110000101)8421bcd1.9(1)(106)10=(1101010)2 原码=反码=补码=01101010 (2)(-98)10=(-1100010)2原码=11100010反码=10011101 补码=11100011(3)(-123)10=(-1111011)2 原码=11111011反码=10000101 补码=11111011(4)(-0.8125)10=(-0.1101)2 原码=1.1101000反码=1.0010111 补码=1.00110001.10(1)(104)10=(1101000)2 [1101000]补=01101000(-97)10=(-1100001)2 [-1100001]补=1001111101101000 + 10011111 0000011110000011 + 01001111 11010010[104-97]补=01101000+10011111=00000111, 104-97=(00000111)2=7 (2) (-125)10=(-1111101)2(79)10=(01001111)2[-1111101]补=10000011 [01001111]补=0100111101111000 [-125+79]补=10000011+01001111=11010010，-125+79=(-0101110)2=-46 (3) (120)10=(1111000)2[01111000]补=01111000(-67)10=(-1000011)2[-1000011]补=10111101[120-67]补=10000011+01001111=00110101，-125+79=(00110101)2=53 (4) (-87)10=(-1010111)2[-1010111]补=10101001(12)10=(1100)2[1100]补=00001100[-87+12]补=10101001+00001100=10110101，-125+79=(-1001011)2=-75+ 10111101 0011010110101001+ 00001100 10110101第2章习题解答2.3 解：根据逻辑图可直接写出逻辑表达式：(a) f=ab?bc；(b)f=abbcac解：设3个输入变量分别为a、b、c，输出为f，按题意，其中有奇数个为1，则输出f＝1，因此可写出其逻辑表达式为f=abc?abc?abc?abc。
第1章VHDL语言基础
位矢量（BIT_VECTOR）。若端口定义为BIT，则其信号值 是一个1位的二进制数，取值只能是0或1；若端口定义为 BIT_VECTOR，则其信号值是一组二进制数。
➢ 在电路中，如果实体代表一个器件符号，则结构体描述了 这个符号的内部行为。当把这个符号例化成一个实际的器 件安装到电路上时，则需用配置语句为这个例化的器件指 定一个结构体(即指定一种实现方案)，或由编译器自动选一 个结构体。
1. 结构体的一般语句格式 ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS [说明语句;] BEGIN [功能描述语句;] END [ARCHITECTURE] [结构体名]；
1.1 VHDL程序基本结构
一、VHDL程序设计约定 ➢ 语句结构描述中方括号“[ ]”内的内容为可选内容。 ➢ 对于VHDL的编译器和综合器来说，程序文字的大小写是不
加区分的。 ➢ 程序中的注释使用双横线“- -”。 ➢ 源程序命名与实体同名（MAX+plus Ⅱ要求）。
二、VHDL程序设计引例（ 74LS00的设计 ）
③ 信号赋值语句将设计实体内的处理结果向定义的信号或界面 端口进行赋值。
④ 子程序调用语句用于调用一个已设计好的子程序。
⑤ 元件例化语句对其他的设计实体作元件调用说明，并将此元 件的端口与其他的元件、信号或高层次实体的界面端口进行 连接。
A
A NAND2
Y
Y
B
B
(a)
A1
A NAND2
U1 Y
Y1
B1
B
A2
A NAND2
第一章VHDL文本输入设计方法
第一章VHDL文本输入设计方法1.1 编辑输入并存盘VHDL原文件首先应该建立好工作库目录，以作设计工程项目的工作库。
例如设文件夹为：E:\muxfile ，以便将设计过程中的相关文件存储在此。
任何一项设计都是一项工程（Project），都必须首先为此工程建立一个放置与此工程相关文件的文件夹，此文件夹将被EDA软件默认为工作库（Work Library）。
注意，文件夹不能用中文。
然后打开MAX+plusII，选择菜单“File”→“New…”，出现对话框，在框中选中“Text Editor file”，按“OK”按钮，即选中了文本编辑方式。
在出现的“Untitled-Text Editor”文本编辑窗(图1-1)中键入图1-1所示的VHDL程序（2选1多路选择器），毕后，选择菜单“File→Save”，即出现如图1-1所示的“Save As”对话框。
首先在“Directories”目录框中选择自己已建立好的存放本文件的目录E:\MUXFILE（用鼠标双击此目录，使其打开），然后在“File Name”框中键入文件名“MUX21A.VHD”，按“OK”按钮，即把输入的文件放在目录E:\MUXFILE中了。
注意，1、VHDL程序文本存盘的文件名必须与文件的实体名一致，如MUX21A.VHD；2、文件的后缀将决定使用的语言形式，在MAX+plusII中，后缀为.VHD表示VHDL文件；后缀为.TDF表示AHDL文件等。
如果后缀正确，存盘后对应该语言的文件中的主要关键词都会改变颜色。
1.2 将当前设计设定为工程为了使Max+plusII能对输入的设计项目进行处理，在编译/综合MUX21A.VHD之前，需要设置此文件为顶层文件，或称工程文件：Project，或者说将此项设计设置成工程：选择菜单“File”→Project→“Set Project to Current File”，当前的设计工程即被指定为MUX21A 。
vhdl语言与数字系统的设计
V H D L语言与数字系统的设计应用科技蒋敏1王寒寒：(1．郑州交通职业学院，河南郑州450062；2．胜利油田兴泰石油化工有限公司，山东东营257000)膀要]基于强大的E D A教术的支持，以vH D L为主要设计手段，充分开发利用C PLD芯片丰富而灵活的逻辑资源，成为当前数字系统设计的主要发展方向。
介绍了VHDL㈣A．MAX+PLUS21I开发软件的使用。
麒键词]V H D L；数字系统；仿真数字系统的逻辑设计，多年前早已开展了研究，但目前尚未达到广泛使用的地步。
许多人为了正确地描述系统的结构和性能，对数字系统的描述作了许多探讨，并获得了各式各样的语言。
V H D L是一种超高速集成电路硬件描述语言，它提供了—个标准的，从逻辑门级到数字系统级的各抽象级描述硬件的标准文本，提供了精确的语法和语义，为集成电路及系统设计提供了形式化、层次化和规范化的描述，不仅能有效地用于C A D进行模拟，而目可作为—种精确的自然语言用于设计者之间的设计交流，它允许设计者在语言的基本作用范畴之外表示信息，尽管最初的工具在某些级《伊J如开关级)不能提供模拟。
由于没有限制设计者必须拥有特殊的硬件技术或设计方法，该语言在工业E有着广泛的用途，它被喻为“硬件描述语言中的‘FO R T RA N”’，其性能是其它硬件描述语言无法媲美的。
1V H D L的由来V H D L是一项诞生于美国国防部所支持的研究计划，目的是为了把电子电路的设计意义以文字或文件的方式保存下来，以便其他人能轻易地了解电路的意义。
1985年完成第一版的硬件描述语言，两年后(1987)成为I EE E 标准，即IEE El076标准。
1988年，美国国防部规定所有官方的A—SIC设计邰必须以V H D L为设计描述语言，所以V H D L就渐渐成为工业界的标准。
之后于1993年增修为众所周知的I EE El l64标准，1996年，I E EE又将电路合成的标准程序与规格加入至V H D L硬件描i蕉i狺中，成为IEEEl0763标准。
Verilog HDL数字设计教程(贺敬凯)第1章
路网表。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
波形图输入方法则是将待设计的电路看成是一个黑盒子，
只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图，
EDA工具就可以完成黑盒子电路的设计。 原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理 图编辑输入方式，即在EDA软件的图形编辑界面上绘制能完 成特定功能的电路原理图。原理图由逻辑器件(符号)和连接
理图和信号的连接表，如果是一个大的系统，将是一大摞图
纸，以后系统若出现问题，查找、修改起来都很麻烦。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
上述过程是从底层开始，或在已有的功能模块的基础上 来搭建高层次的模块直至整个系统的。因此这种传统的电子 系统的设计过程是一种自底向上(Bottom-Up)的设计，设计 过程必须从存在的基本单元模块出发，基本单元模块必须是 已经设计成熟的标准单元模块或其他项目已开发好的单元模 块。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
本书所有设计最终的实现目标主要定位于FPGA，因此下
面重点介绍FPGA的开发流程。FPGA的EDA开发流程如图1-3
所示。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
图1-3 FPGA的EDA开发流程
第1章 Verilog HDL数字设计综述
从图1-3可以看出，FPGA的开发流程与图1-2所示的用 EDA工具设计数字系统的流程基本相同，都需要设计输入、 功能仿真、逻辑综合、布局布线(适配)、时序仿真、物理实 现等几个步骤。下面将分别介绍主要设计模块的功能特点。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
1. 设计输入 在EDA软件平台上开发FPGA/CPLD时，首先要将电路系 统以一定的表达方式输入计算机。通常，EDA工具的设计输 入可分为以下两种类型：
EDA技术与VHDL实用教程(第2版)电子课件 第1章EDA技术概述
2．计算机辅助工程设计CAE阶段
各种设计工具，如原理图输入、编译与 连接、逻辑模拟、测试码生成、版图自动布 局以及各种单元库均已齐全。由于采用了统 一数据管理技术，因而能够将各个工具集成 为一个CAE系统。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
3．电子系统设计自动化ESDA阶段
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作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
三、 面向FPGA/CPLD的常用EDA工具
可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）是一种可根据用户需要而自行构造逻辑功 能的逻辑器件。目前主要有两大类型：CPLD（ Complex PLD）和FPGA(Field Programmable Gate Array)。借助于EDA工具软件，用原理图、硬件描 述语言等设计输入法，可设计生成相应的目标文件 ，最后用编程器下载到目标器件实现用户需要的逻 辑功能。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD 厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
1. ALTERA 其原先的开发工具MAX+PLUS II是较成功的PLD 开发平台，现在使用Quartus II开发软件。
2. XILINX 开发软件为Foundation和ISE。
3. Lattice-Vantis 开发工具ispLEVER比Altera和Xilinx略逊一筹。
EDA技术与VHDL实用教程
作者: 苏莉萍 陈东 廖超平
1. ALTERA 其原先的开发工具MAX+PLUS II是较成功的PLD 开发平台，现在使用Quartus II开发软件。
数字电路与系统设计实验
第二章 实验基本仪器
数字系统设计实验所需设备有： 直流稳压电源，示波器，基于CPLD的 数字电路实验系统，万用表，信号源， 计算机。
一、直流稳压电源
二、示波器
示波器是一种用来测量电信号波形的 电子仪器。用示波器能够观察电信号 波形，测量电信号的电压大小，周期 信号的频率和周期大小。双踪示波器 能够同时观察两路电信号波形。
能块相对集中地排列器件 3.布线顺序 VCC，GND，输入/输出，控制线 4. 仪器检测（电源，示波器，信号源） 5.实验 测试、调试与记录
6.撰写实验总结报告
(1)实验内容 (2)实验目的 (3)实验设备 (4)实验方法与手段 (5)实验原理图 (6)实验现象（结果）记录分析 (7)实验结论与体会
（（(四三一）)）、、、实实验实验目验的提内示容
•• １１..注测１意试.掌被T握T测LT器T器L件、件H７的CT４引和Ｌ脚HＳ７C器０和件４引的一脚传个输１特非４性门分。的别传接输地特和 十性5。Ｖ２。.掌握万用表的使用方法。
•• •
(２连为输２３特二.接 被 入)..性将测测、１２３到 测 电。实试 试...被 非 压六六六验验HH反反反测 门 值所CC台相相相T器用非 的 。上器器器器件器门输４件７７７件７的入.４４４７７４输电ＬＨＨ４ＫＨ入压ＳＣＣＨΩＣ００Ｔ端。电Ｃ４４００，旋位Ｔ片片４４转R器０片T一电LR４的个T位一L输非的器个出门电改非端的压变门电传输非的压输出门传作特端的输性。
四、数字电路测试及故障查找、排除
1.数字电路测试
数字电路静态测试指的是给定数字电路若干组静态输 入值，测定数字电路的输出值是否正确。
EDA技术与VHDL程序开发基础教程_教学资料_第一章
1.8.1填空1.EDA的英文全称是Electronic Design Automation2.EDA技术经历了计算机辅助设计CAD阶段、计算机辅助工程设计CAE阶段、现代电子系统设计自动化EDA阶段三个发展阶段3. EDA技术的应用可概括为PCB设计、ASIC设计、CPLD/FPGA设计三个方向4.目前比较流行的主流厂家的EDA软件有Quartus II、ISE、ModelSim、ispLEVER5.常用的设计输入方式有原理图输入、文本输入、状态机输入6.常用的硬件描述语言有VHDL、Verilog7.逻辑综合后生成的网表文件为EDIF8.布局布线主要完成将综合器生成的网表文件转换成所需的下载文件9.时序仿真较功能仿真多考虑了器件的物理模型参数10.常用的第三方EDA工具软件有Synplify/Synplify Pro、Leonardo Spectrum11．2000年推出的Pentium4微处理器芯片的集成度达（4200 ）万只晶体管。
12．在EDA发展的（CAD ）阶段，人们只能借助计算机对电路进行模拟、预测，以及辅助进行集成电路版图编辑、印刷电路板（PCB）布局布线等工作。
13．在EDA发展的（CAE ）阶段，人们可以将计算机作为单点设计工具，并建立各种设计单元库，开始用计算机将很多单点工具集成在一起使用。
14．EDA设计输入主要包括图形输入、HDL文本输入和状态机输入。
15．时序仿真是在设计输入完成之后，选择具体器件并完成布局、布线之后进行的时序关系仿真,因此又称为功能仿真。
16．VHDL的数据对象包括变量、常量和信号，它们是用来存放各种类型数据的容器。
17．图形文件设计结束后一定要通过仿真，检查设计文件是否正确。
18．以EDA方式设计实现的电路设计文件，最终可以编程下载到FPGA 和CPLD芯片中，完成硬件设计和验证。
19．MAX+PLUS的文本文件类型是（后缀名）.VHD 。
20．在PC上利用VHDL进行项目设计，不允许在根目录下进行，必须在根目录为设计建立一个工程目录（即文件夹）。
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1.1 数字系统概念
2.设计方法
传统的数字系统设计是自底向上的。
现代数字系统设计可以直接面向用户要求，根据系统的
行为和功能要求，自顶向下地逐层完成相应的描述、综合、
优化系、统仿要求真与验证。 行为设计
结构设计
版图设计
电路设计
逻辑设计
1.2 电子设计发展趋势
ICCA电D系子统产的品发发展展：迅速，向着功能多样化、体 积最第一小代化：、6功0年耗代最末低：版化图的编方辑向和前检进查，。同时价格 也呈下降趋势。以集成电路设计计算机辅助设
第二代：80年代初：原理图输入、逻辑模拟向下。
计系统ICCAD系统为例。
第三代：从RTL级输入向下，包括行为仿真、行 为综合、逻辑综合等。
1.3 EDA技术介绍
1.基本特征
① 用软件的方式设计硬件 ② 用软件方式设计的系统到硬件系统的
转换是由有关的开发软件自动完成 ③ 自顶向下的设计方法 ④ 设计过程中可用有关软件各种仿真 ⑤ 系统可现场编程，在线升级 ⑥ 整个系统可集成在一个芯片上，体积
复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,CPLD）
1.3 EDA技术介绍
FPGA与CPLD比较
CPLD 内部结构 Product－term 程序存储 内部EEPROM
FPGA Look－up Table SRAM，外挂EEPROM
资源类型 组合电路资源丰富 触发器资源丰富
集成度
低
高
使用场合 完成控制逻辑
速度
慢
能完成比较复杂的算法，锁相环 一般不能保密
1.3 EDA技术介绍
大的PLD生产厂商
最大的PLD供应商之一
FPGA的发明者，最大的PLD供应商 之一
1.1 数字系统概念
·数字钟表
-设计目标是实现耗电最低——一块电池可以使其 运行几年。
-低能耗以使其运行速度更慢，价格更高。
1.1 数字系统概念
计算机系统
专用计算机 应用程序
算法式
通用计算机 应用程序 编译程序 ISA
硬件、软件 协同设计
二进制应用 程序
数据流控制
操作系统
固件
内存 CPU IO
硬盘
1.1 数字系统概念
1.1 数字系统概念
一个数字系统的例子：
·通用数字计算机
记忆系统
存储
指令 数据 地址
时钟
中心处理单元
数字逻辑/暂存
-设计目标是实现最优化的表现——“优化运行速度”。
1.1 数字系统概念
·便携式计算机
-设计目标是实现最低的价格——“节省成本，降 低价格”。 -低廉的价格以运行速度为代价。
CPLD:XC9500系列（Flash工艺）
其中，Cylone、CyloneII系列是侧重低成本应用，容
其量中中，等S，pa性rt能an可系以列满主足要一应般的用逻于辑低设成计本要设求计。。 VirStterxat系ix列、S主tr要ati应xII用则于侧高重于端高设性计能。应用，容量大，满
足各类高端应用。
小、功耗低、可靠性高
从EDA技术的 基本特征可看 出其较传统技 术的优越性。
1.3 EDA技术介绍
2.主要内容
现场可编程逻辑器件（Fie其ld 中Pro以grFamPmGaAbl、e Logic Device, FPLD） CPLD 应 用 最
为广泛
大规模可编程 逻辑器件
现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）
1.3 EDA技术介绍
硬件描述语言
硬 件 描 述 语 言 （ Hardware Description Language,HDL）可以在三 个层次上进行电路描述，由高到低为系 统行为级、寄存器传输级和逻辑门级。
ISP技术的发明者
提供军品及宇航级产品
1.3 EDA技术介绍
两大生产厂商产品
Altera：
FPGA:Cyclone、CycloneII Stratix、StratixII等
CPLD:MAX7000、MAX3000系列(EEPROM工艺)
Xilinx：
FPGA:Spartan系列 Virtex系列
单元和控制单元。
输入 接口
受控器
输出 接口
控制器
1.1 数字系统概念
数字系统主要处理离散信号：
数字（例如：掌上电脑） 文字（例如：文字处理器） 图像（例如：数码相机）
常用数字系统：
手机、数码相机、MP3播放器、工业过程控制器等。
一些使用模拟信号的系统：
模拟时钟、胶卷相机、计算尺等。
数字系统在处理模拟信号之前，要对模拟信号进行量化（数字化）处理。
数字系统设计的步骤
1、分析确定系统功能
在仔细分析设计课题的基础上，明确系统的任务、 技术性能、应用环境、特殊的要求等。尽可能对 应用现场进行实地考察。经过深入分析比较，选 择相对更好的算法来保证实现所要求的功能，并 要兼顾工作量和成本。
数字系统设计的步骤 2、确定系统设计方案 确定选用一般数字电路还是用微控制器来实现。
分层结构 数据通路 控制器
数字逻辑设计
数字逻辑设计
电路设计
电路设计
布局，模板
布局，模板
半导体，封套
半导体，封套
1.1 数字系统概念
数字系统硬件的构建模块：
·数字系统
·电路版 ·芯片 ·逻辑门电路 ·晶体管
数字系统设计的特点 1、设计方法规范 如ASM图法、MDS图法 2、逻辑设计为主，电参数设计为辅 3、传输通道多，状态量少 4、受器件影响较大
对于功能简单的可以采用SSI、MSI、LSI构成， 即纯硬件电路。 对于功能较复杂的，可以用MCU。
数字系统设计的步骤 3、系统设计框图 往往和方案的选择交叉进行。 4、逻辑功能划分
数字系统设计的步骤 5、信息处理电路的设计
6、控制电路的设计 灵活选择常用的控制电路。
数字系统设计的步骤 7、系统电路的综合与优化
数字系统设计及VHDL实践
第一章 绪论
主 讲 人：徐向民 单 位：电子与信息学院
本章目录
1.1 数字系统概念 1.2 电子设计发展趋势 1.3 EDA技术介绍 1.4 EDA应用与发展趋势
1.1 数字系统概念
1.基本概念
数据处理 单元
数字系统是指对数字信存储息部进件行储存、传输、处理的电子 系统，它的输入和输出都是数字量。在结构上分为数据处理