实验3 基于硬件描述语言的电路设计
EDA技术及其应用(3)
1.4 EDA的优势
手工设计方法
●复杂电路的设计、调试十分困 难；
●无法进行硬件系统仿真，若某 一过程存在错误，查找和修改十 分不便；
●设计过程中产生大量文档，不 易管理；
●对于IC设计而言，设计实现过 程与具体生产工艺直接相关，因 此可移植性差；
●只有在设计出样机或生产出芯 片后才能进行实测；
EDA技术
在设计时加入用于测试的部分逻辑，即进行可测性设计(DFT ，Design For Test)，在设计完成后用来测试关键逻辑。
在ASIC设计中的扫描寄存器，是可测性设计的一种，原理是 把ASIC中关键逻辑部分的普通寄存器用测试扫描寄存器来代替， 在测试中可以动态地测试、分析设计其中寄存器所处的状态，甚至 对某个寄存器加以激励信号，改变该寄存器的状态。
1.6.3 GAL
GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、专 用输入、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口等， 为逻辑电路设计提供了极大的灵活性。由于具有结构重构和输出 端的任何功能均可移到另一输出引脚上的功能，在一定程度上， 简化了电路板的布局布线，使系统的可靠性进一步地提高。GAL 的出现是复杂PLD的里程碑。
1.11 编程与配置
目前常见的大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种： 1．基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术。 2．基于SRAM查找表的编程单元。 3．基于反熔丝编程单元。
1.12 FPGA配置器件
主动配置方式
由FPGA器件引导配置操作过程，它控 制着外部存储器和初始化过程
被动配置方式
1.2 EDA技术应用对象
全定制或半定制ASIC
实现目标 ASIC的设计和实现
FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用
VHDL硬件描述语言在数字电路设计中的应用
ＶＤ Ｈ Ｌ对数字 电路 的硬件描述能力强 ，在设计 上非常 有效 ，是 数字 电路 教学 中全新 的理 论联 系实际 的方 法和
培养学生实 际动手能力 的有效 工具 。 关键词 ：Ｖ Ｄ ；数字 电路 ；电子技术 Ｈ Ｌ 中图分类号 ：Ｐ ９ Ｔ ３１ 文献标识码 ： Ａ ｄｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １７ — ３５ ２ １ ．５０ ０ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ． ６２ ４ ０ ．０ １０ ．３ ｓ
ｉ ｌｃｒ ｕ ｔｃ ｎ ｔｍｅ ｔｔ ｅ ｎ ｅ ｓｏ ｅ ｄ ｇｔ ｌ ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ ｃｒ ｕ ｔ Ｉ ｈ ｓｂ ｅ ｅ ｅｏ ｉ ｇ ｔ ｎ ｏ ａ － ｔ ｉ ｉ ａ ａ ｃ ｅ ｅ ｄ ｆｔ ｉ ｉ ｔ ｇ ａｅ ｉ ｉ ｔ ａ ｅ ｎ ａ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｒ ｄ ｔ ｃ ｈ ｈ ａ ｉ ｃ ． ｅ ｃ ｍｐ ｉｈ ｔ ｅ ｄ ｓ ｎ ｏ ａ ｄ ｒ ｉ ｕ ｔｂ ｏ ｌ ｈ ｅ ｉ ｆｈ ｒ ｗａ ｅ ｃｒ ｉ ｙ ＶＨＤＬ ｓ ｇ ｃ ．Ａ ｒ ｆ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｏ ｅ ｂ ｓ ｔ ｃ ｕ ｅ ｅ ｔ ｒ ｓ ｂ ｉ ｔｏ ｕ ｔ ｆｔ ａ ｉ ｓｒ ｔ ｒ ，ｆ ａｕ ｅ ｅ ｉ ｏ ｈ ｃ ｕ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｒ ｃ ｓ ｆＶＨＤＬ ｉ ｇｖ ｎ ｎ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓｏ ｓ ｉ ｅ ．Ｔ ｅｆ ｌ ａ ｄ ｒｉ ｕ ｅ ｓａ ｘ ｍｐ ｅ ｔ ｌ ｍｉ ａｅ ｔ ｅｄ ｓｇ ｈ ｌ ｄ ｅ ｓ ｓ ｄ ａ ｎ ｅ ａ ｌ ｏ ｉ ｕ ｎ ｔ ｅ ｉ— ｕ ｌ ｈ
随 着数 字 电子 技术 的发 展 ， 字 电路 已 由早 期 数 的分 立元 件逐 渐 发 展成 集 成 电路 ， 以及 具 有 特 定 功
vhdl设计实验报告
vhdl设计实验报告VHDL设计实验报告引言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，广泛应用于数字电路设计和验证。
本实验旨在通过设计一个简单的电路来熟悉VHDL语言的基本语法和设计流程。
一、实验背景数字电路是现代电子系统的基础，而VHDL则是描述和设计数字电路的重要工具。
VHDL可以帮助工程师们以一种形式化的语言来描述电路的功能和结构，从而实现电路的模拟和验证。
二、实验目的本实验的目的是通过使用VHDL语言设计一个简单的电路，加深对VHDL语言的理解，并掌握基本的电路设计流程。
三、实验步骤1. 确定电路功能在设计电路之前，首先需要明确电路的功能。
本实验中，我们选择设计一个4位加法器电路。
2. 设计电路结构根据电路功能的要求，设计电路的结构。
在本实验中，我们需要设计一个4位加法器，因此需要使用4个输入端口和一个输出端口。
3. 编写VHDL代码使用VHDL语言编写电路的描述代码。
在代码中，需要定义输入和输出端口的类型和位宽，并实现电路的功能。
4. 进行仿真使用仿真工具对设计的电路进行仿真，以验证电路的功能是否符合预期。
通过输入不同的测试数据，观察输出是否正确。
5. 下载到FPGA开发板将设计好的电路代码下载到FPGA开发板上进行验证。
通过连接输入信号和观察输出信号，验证电路在实际硬件上的运行情况。
四、实验结果与分析经过仿真和实际验证，我们设计的4位加法器电路在功能上符合预期。
输入不同的数据进行加法运算时，输出结果都正确。
五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了VHDL语言的基本语法和设计流程。
通过设计一个简单的电路，我们掌握了VHDL的应用方法，并通过仿真和实际验证，加深了对电路设计的理解。
六、实验心得本实验让我对VHDL语言有了更深入的认识。
通过实际操作，我更加熟悉了VHDL的编写和仿真流程。
基于硬件描述语言VHDL的电路系统设计研究
４ 传统设计和Ｖ Ｄ 的比较 Ｈ Ｌ 儿 乎在 集 成 电路 的每 个 没计 环节 和整 个 没 汁过程 都 普遍 使 用 Ｅ Ａ（ Ｄ 电子没计自动化 ） 技术 传统的 没汁方法是基于中小规 模集成
真 、 合的硬件描述 浯言 ， 使用 中较 易发现错 洪，进 行修改 ， 语 综 在 该 言提 供了很 强的类型 校验功能 ，它的 没计描述可 以被不 Ｉ的Ｅ Ａ 司 Ｄ 工具 所 支持 ，即有很强的可移植性 Ｖ Ｄ Ｅ言描 述怏捷 ，节省人 力，易 、 Ｈ Ｌ． ￣ 于 保密 ，是 目前国内外数字系统的主流没 汁语言 ，
５ ＶＨ 的新 发展 ＤＬ
任何复 杂的数字系统 都可以最终分解 成基本 ¨和存储器元件 ，这
种分解最 好由汁算机 自 动进行 传统的数字 系统 都是山一些固定功能 的器件 加上一定的外 电路构成模块 ，再 山这些模块进 一步组成各种 功能 的电路 ． 在’ 汁时，儿乎没有灵活性可 言，且 没汁系统所需的芯 、 殳 片种类多、数 目 大 复杂数字 系统 的没汁 ， 了’ 爿 除 殳汁Ｊ期长外 ，设汁 人 员的缺乏也是一个关键ｆ 题 、 ｕ Ｊ
的各项性能 ，还 直接 影响到 芯片 的集成度 以及生 产线上 的成本 ． 能大
Ｖ Ｄ Ｉ 差 一些 ，而在 ｆ级开 关电路描述方 面￣ Ｖ Ｄ 强一些 其 共 Ｈ Ｌｒ ￣ ｊ ＥＨ Ｌ 同的特 点在于 ：能形式化地 抽象表示电路的行为和结构 高级语言的精巧结 构来简化电路 行为 ｛
（ ）汁算机辅助 的方 法 这是最早 的一种方法 ， 目前已经发腱 １ 得较为成熟 ，就是通常所 ’的Ｃ Ｄ 兑 Ａ 技术 （ ｕ编 程的方法 就 是利片 编 译的方法来进行数 字系统的 没 ２） Ｊ ‘ ｊ
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对于数字系统的Ａ Ｉ ，Ｖ Ｄ 作为一种硬件 电路描述 语言所 具备 ＳＣ Ｈ Ｌ 的行为级的描 述能 力为其仿真模型的建立提 供了一条途 径 但是 由于 缺 乏 高 效 可 靠 的 崩 Ｖ Ｄ 彳 述 的 Ａ Ｉ 库 ，在 一 定 程 度 上 影 响 了 Ｈ Ｌ菡 ＳＣ Ｖ Ｄ 的应用 ，ｉ ＨＬ 酊建立Ａ Ｉ库的最 大困难在于Ｖ Ｄ 没有统一 、有效 ＳＣ ＨＬ
VHDL语言实现数字电路设计
VHDL语言实现数字电路设计数字电路是由逻辑门、寄存器以及其他数字组件组成的电子系统，用于处理和传输数字信号。
VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统。
通过使用VHDL语言，我们可以实现数字电路的设计，从而满足各种需求。
VHDL语言提供了一种结构化的设计方法，允许设计者描述硬件电路的结构、功能以及时序行为。
以下是一些常见的数字电路设计任务，以及如何使用VHDL语言来实现它们。
1. 门电路设计门电路是最简单的数字电路之一，由逻辑门组成。
使用VHDL语言，我们可以通过描述逻辑门的输入和输出来实现门电路的设计。
例如，我们可以使用VHDL语言描述一个与门：```vhdlentity AND_gate isport (A, B : in bit;Y : out bit);end entity AND_gate;architecture dataflow of AND_gate isbeginY <= A and B;end architecture dataflow;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口A和B，以及一个输出端口Y。
在architecture部分，我们使用VHDL语言描述了Y的逻辑值为A和B的逻辑与。
2. 时序逻辑电路设计时序逻辑电路是根据时钟信号进行操作和状态转换的电路。
使用VHDL语言，我们可以描述时序逻辑电路的行为和状态变化。
例如，我们可以使用VHDL语言描述一个触发器：```vhdlentity D_flip_flop isport (D, CLK : in bit;Q : out bit);end entity D_flip_flop;architecture behavior of D_flip_flop issignal Q_temp : bit;beginprocess(CLK)beginif CLK'event and CLK = '1' thenQ_temp <= D;end if;end process;Q <= Q_temp;end architecture behavior;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口D和CLK，以及一个输出端口Q。
现代电子电路与系统的分析设计与实现方法
现代电子电路与系统的分析设计与实现方法现代电子电路与系统的分析、设计与实现方法是指在设计电子电路和系统时，采用的一系列技术和工具，以确保电路和系统能够达到设计要求，并满足性能、可靠性和经济性等各方面的需求。
在现代电子技术的快速发展下，电子电路和系统设计面临着越来越多的挑战，因此分析、设计和实现方法变得越来越重要。
下面是一些常用的现代电子电路与系统的分析设计与实现方法：1. 基于硬件描述语言的设计：硬件描述语言（HDL）是一种用来描述电子系统硬件行为的语言。
通过使用HDL，设计人员可以对电路进行更高层次的抽象描述，从而更容易进行电路的分析和验证。
常用的HDL包括VHDL和Verilog。
2.元件级设计：元件级设计是指在电路设计中将电路拆分为可独立分析和设计的基本元件。
通过对各个元件的分析和设计，可以实现对整个电路的分析和设计。
3.数字信号处理（DSP）技术：数字信号处理技术在现代电子电路和系统中应用广泛。
通过使用DSP技术，可以对电路中的信号进行精确和高效的处理，以满足各种应用需求。
4.模拟电路分析与设计：模拟电路的分析与设计主要涉及电路的建模、分析和优化。
通过对电路元器件的特性进行数学建模，可以对电路的行为进行准确的分析，并通过各种优化方法来改进电路的性能。
5.电磁兼容性（EMC）设计：在现代电子电路和系统设计中，电磁兼容性是一个重要的考虑因素。
通过采用适当的布线和屏蔽技术，可以有效地减少电磁干扰和抗干扰能力，提高整个电路系统的EMC性能。
6.集成电路设计：集成电路设计是指将多个电路和系统集成到同一芯片上的设计方法。
通过采用现代的集成电路设计流程和工具，可以实现高度集成、低功耗和高性能的电子系统设计。
7.系统级设计和建模：系统级设计是指对整个电子系统进行高层次的建模和设计。
通过对系统功能、性能和约束进行详细分析和建模，可以优化整个电子系统的设计过程。
8.可靠性设计与分析：在现代电子电路和系统设计中，可靠性是一个重要的考虑因素。
mips控制器设计实验原理
mips控制器设计实验原理MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种32位的RISC （Reduced Instruction Set Computing）处理器架构，旨在提高处理器效率和性能。
MIPS 架构的处理器被广泛应用于各种领域，包括计算机、嵌入式系统、网络设备、数字信号处理等需要高性能的应用中。
在本实验中，我们将学习如何设计一个基于MIPS控制器的处理器。
控制器是一个能够控制处理器各个子系统如存储器、算术逻辑单元（ALU）、输入/输出设备等的模块。
MIPS控制器的设计是关键，因为它可以决定处理器的运行效率和性能。
MIPS控制器的设计需要考虑以下几个方面：1. 指令解码MIPS指令集包含了大量的指令，但是由于指令采用RISC架构，指令集中的每一个指令都很简单，只有少量的寄存器、立即数和内存操作。
控制器需要能够识别每一个指令，并正确地解码指令中的操作数。
为了实现这个目标，控制器需要包含适当的译码电路和其他必要的逻辑门电路。
2. 流水线控制流水线是一种增加处理器效率和性能的技术，通过将指令的执行拆分为多个阶段，多个指令可以在同一时刻被处理。
MIPS架构使用了5级流水线结构，即取指令、指令译码、执行、访问存储器和写回结果。
控制器需要能够控制流水线的各个阶段，确保它们按照正确的顺序执行。
3. 异常处理处理器在执行指令时可能会出现各种错误，如未定义的指令、内存访问冲突、算术溢出等。
这些错误称作异常。
处理器需要能够捕获异常并采取适当的措施，如停止当前指令的执行、中断指令流并处理异常。
控制器需要包含适当的硬件和逻辑电路来处理异常。
4. 输入/输出一个处理器需要有输入/输出接口来连接外部设备，如键盘、鼠标、显示器、网络等。
这些设备通过输入输出端口（I/O端口）与处理器相连。
控制器需要能够控制I/O端口的数据传输，并确保数据在正确的时刻被传输。
你的Basys 3第一个入门实验官方指导手册
位于母公司美国国家仪器NI中国总部大楼内电话：+86-21-58893151邮箱：china.sales@“你的Basys 3第一个入门实验”官方指导手册目录1.Basys3硬件电路………………………………………………………………………...P31.1 电源电路…………………………………………………………………..……......P51.2 LED灯电路…………………………………………………………………..……..P61.3 拨码开关电路………………………………………………………………..……...P71.4 按键电路…………………………………………………………………..……......P81.5 数码管电路…………………………………………………………………..……...P81.6 VGA电路…………………………………………………………………..…….....P91.7 I/O扩展电路…………………………………………………………………..….P101.8 FPGA调试及配置电路…………………………………………………………..P102.Basys3电路实验–七段数码管显示实验………………………………………..…P12第一章Basys3 硬件电路Basys3是围绕着一个Xilinx Artix®-7 FPGA芯片XC7A35T-1CPG236C搭建的，它提供了完整、随时可以使用的硬件平台，并且它适合于从基本逻辑器件到复杂控制器件的各种主机电路。
Basys3板上集成了大量的I/O设备和FPGA所需的支持电路，让您能够构建无数的设计而不需要其他器件。
主要规格/特殊功能产品规格：Basys3为想要学习FPGA和数字电路设计的用户提供一个理想的电路设计平台。
Basys3板提供完整的硬件存取电路,可以完成从基本逻辑到复杂控制器的设计。
四个标准扩展连接器配合用户设计的电路板，或Pmods（Digilent设计的A / D和D / A转换，电机驱动器，传感器输入等）其他功能。
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实验3 基于硬件描述语言的电路设计一、实验目的1 、了解可编程数字系统设计的流程；2 、掌握Quartus II 软件的使用方法；3 、掌握采用硬件描述语言设计数字系统的方法和流程。
二、实验设备1、计算机：Quartus II 软件2、Altera DE0三、实验内容要求1：学习并掌握硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）；熟悉门电路的逻辑功能，并用硬件描述语言实现门电路的设计。
参考“参考内容1”中给出的与门源程序，编写一个异或门逻辑电路。
1）用QuartusII波形仿真验证；2）下载到DE0开发板验证。
要求2：熟悉中规模器件译码器的逻辑功能，用硬件描述语言实现其设计。
参考“参考内容2”中给出的将8421BCD码转换成0-9的七段码译码器源程序，编写一个将二进制码转换成0-F 的七段码译码器。
1）用QuartusII波形仿真验证；2）下载到DE0开发板，利用开发板上的数码管验证。
要求3：熟悉时序电路计数器的逻辑功能，用硬件描述语言实现其设计。
参考“参考内容3”中给出的四位二进制加减计数器的源程序，编写一个计数器。
1）用QuartusII波形仿真验证；2）下载到DE0开发板验证。
要求4：熟悉分频电路的逻辑功能，并用硬件描述语言实现其设计。
参考“参考内容4”中给出的50M分频器的源程序，编写一个能实现占空比50%的5M和50M分频器即两个输出，输出信号频率分别为10Hz和1Hz。
1）下载到DE0开发板验证。
（提示：利用DE0板上已有的50M晶振作为输入信号，通过开发板上两个的LED灯观察输出信号）。
电路框图如下：四、实验结果1、用硬件描述语言（VHDL 或Verilog HDL）实现一个异或门电路。
VHDL源程序：Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity vhdl isport(A,B:IN std_logic;C:OUTstd_logic);END vhdl;Architecture fwm of vhdl isbeginC<=A XOR B;END;波形图：引脚对应表2、用硬件描述语言实现将四位二进制码转换成0-F 的七段码译码器。
VHDL源文件:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY digital ISPORT (data_in:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);dis_out:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));END digital;ARCHITECTURE fwm OF digital ISBEGINPROCESS(data_in)BEGINCASE data_in ISWHEN"0000"=>dis_out<="1000000";--显示0WHEN"0001"=>dis_out<="1111001";--显示1WHEN"0010"=>dis_out<="0010010";--显示2WHEN"0011"=>dis_out<="0000110";--显示3WHEN"0100"=>dis_out<="0001101";--显示4WHEN"0101"=>dis_out<="0100100";--显示5WHEN"0110"=>dis_out<="0100000";--显示6WHEN"0111"=>dis_out<="1001110";--显示7WHEN"1000"=>dis_out<="0000000";--显示8WHEN"1001"=>dis_out<="0000100";--显示9WHEN"1010"=>dis_out<="0001000";--显示AWHEN"1011"=>dis_out<="0100001";--显示bWHEN"1100"=>dis_out<="1110000";--显示CWHEN"1101"=>dis_out<="0000011";--显示dWHEN"1110"=>dis_out<="0110000";--显示EWHEN"1111"=>dis_out<="0111000";--显示FWHEN OTHERS=>dis_out<="1111111";--灭灯，不显示END CASE;END PROCESS;END fwm;波形图：引脚对应表：3、用硬件描述语言实现四位二进制加法或减法计数器，并用一位7段码显示减法计数器VHDL源文件LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY EX3 ISPORT ( clk,RST,MLZ : IN STD_LOGIC;DOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); COUT : OUT STD_LOGIC);END EX3;ARCHITECTURE fwm OF EX3 ISSIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); BEGINPROCESS(clk,RST,Q1,MLZ)BEGINIF RST ='0' THEN Q1<=(OTHERS =>'0');COUT<='0'; ELSIF clk'EVENT AND clk='1' THENIF MLZ='0' THENQ1<=Q1+1;COUT<='0';IF Q1 >="1111"THEN Q1<=(OTHERS =>'0');COUT<='1'; END IF;ELSIF MLZ='1' THENQ1<=Q1-1;COUT<='0';IF Q1 <="0000"THEN Q1<=(OTHERS =>'1');COUT<='1'; END IF;END IF;END IF;END PROCESS;DOUT<=Q1 ;END fwm;减法计数器波形图：引脚对应表CLK对应开发板上的G21引脚4、用硬件描述语言实现5M 和50M 分频器（占空比为50% ），即两个输出信号频率分别为10Hz 和1Hz。
VHDL源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY EX4 ISPORT(clk,AS: IN STD_LOGIC;clk_out1: OUT STD_LOGIC);END EX4;ARCHITECTURE fwm OF EX4 ISSIGNAL A: STD_LOGIC;CONSTANT m: INTEGER:=25000000;SIGNAL tmp1: STD_LOGIC;SIGNAL tmp2: STD_LOGIC;BEGINPROCESS(clk,AS,A)VARIABLE cout1 : INTEGER range 0 to 50000000;VARIABLE cout2 : INTEGER range 0 to 5000000;BEGINIF clk'EVENT AND clk='1' THENcout1:=cout1+1;IF cout1<=m THEN tmp1<='0';ELSIF cout1<m*2 THEN tmp1<='1';ELSE cout1:=0;END IF;cout2:=cout2+1;IF cout2<=m/10 THEN tmp2<='0';ELSIF cout2<m/5 THEN tmp2<='1';ELSE cout2:=0;END IF;IF AS='1' THEN A<=tmp1;ELSE A<=tmp2;END IF;END IF;END PROCESS;clk_out1<=A;END fwm;五、心得体会实验结束后要进行验证，利用数码管在电路板上显示出的信息进行验证，确保实验结果的准确性，而且在编译程序时唇线的问题不少，总工会出现编译运行错误，但最终还是完成了。