采用VHDL层次化文件设计一个一位全减器
【设计】一位二进制全减器设计
【关键字】设计南昌大学实验报告学生姓名：学号：89 专业班级：电子081实验类型：□ 验证□ 综合设计□ 创新实验日期：实验成绩：实验一1位二进制全减器设计一、实验目的1)熟悉实验设备和软件，掌握Quartus II 的VHDL文本设计及原理图设计全过程；2)熟悉简单组合电路的设计，掌握系统仿真，学会分析硬件尝试结果；二、实验内容与要求1)完成一位二进制全减器的设计，用LED显示输出结果；2)用分层设计的方法设计，顶层为全减器（文本输入法），底层为半减器（原理图输入法）和逻辑门组成；3)自行完成设计与仿真、波形分析、下载与硬件尝试等全过程，验证设计是否正确；三、设计思路/原理图首先根据一位二进制半减器运行原理，列出半减器真值表（如图一所示），并由真值表设计出半减器原理图（如图二），根据全减器真值表（图三）可用两个半减器和一个或门组成一位二进制全减器。
a b so co0 0 0 00 1 1 11 0 1 01 1 0 0图一半减器真值表a b c cout sub0 0 0 0 00 0 1 1 10 1 0 1 10 1 1 1 01 0 0 0 11 0 1 0 01 1 0 0 01 1 1 1 1图三全减器真值表图四由半减器组成的全减器原理图四、实验程序（顶层程序参考EDA教材88页一位二进制全加器顶层文本设计）底层（原理图输入）半加器连接图：定义或门：顶层（文本输入）LIBRARY IEEE; --1位二进制全减器顶层描述USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY f_m IS --定义f_m实体PORT (ain,bin,cin :IN STD_LOGIC;cout,sub:OUT STD_LOGIC);END ENTITY f_m;ARCHITECTURE one OF f_m IS --描述结构体COMPONENT h_m --定义h_m各引脚PORT ( a,b : IN STD_LOGIC ;co,so : OUT STD_LOGIC) ;END COMPONENT ;COMPONENT or2a --定义or2a各引脚PORT (a,b : IN STD_LOGIC;c : OUT STD_LOGIC) ;END COMPONENT ;SIGNAL d,e,f : STD_LOGIC ; --定义信号d,e,f的类型BEGIN --描述底层各元件的连接u1 : h_m PORT MAP (a=>ain, b=>bin, co=>d, so=>e) ;u2 : h_m PORT MAP (a=>e, b=>cin, co=>f, so=>sub);u3 : or2a PORT MAP (a=>d, b=>f, c=>cout);END ARCHITECTURE one ; --结束结构体描述五、实验步骤1.建立工作库文件夹和编辑设计文件1)在D盘新建立一个文件夹命名为f_m，选择ACEX1K芯片，保存下面的工程文件；2)打开quartus II，选择菜单File→New→Block diagram/schematic file，点击OK，输入半减器原理图，保存为h_m.bdf并选择菜单file→create/update→createVHDL component declaration files for current file2.选择菜单File→New→Block diagram/schematic file，点击OK，定义或门，保存为or2a.bdf并选择菜单file→create/update→create VHDL component declarati on filesfor current file3.选择菜单File→New→VHDL file，点击OK后在打开的界面下输入已设计的程序，保存为f_m.vhd；4.对f_m.vhd进行编译5.创建仿真文件f_m.vwf,将所有引脚拉入仿真文件，设定end time以及ain，bin，cin输入值，进行仿真6.选择assignments→pins 设置各引脚，并编译；7.下载程序，验证实验结果；六、仿真波形分析下图为实验所得的波形图：a b c d e f g h i区间ain bin cin cout sub LED6 LED5 a-b 0 0 0 0 0 灭灭b-c 0 0 1 1 1 亮亮c-d 0 1 0 1 1 亮亮d-e 0 1 1 1 0 亮灭e-f 1 0 0 0 1 灭亮f-g 1 0 1 0 0 灭灭g-h 1 1 0 0 0 灭灭h-i 1 1 1 1 1 亮亮借位情况，cout为本位输出，sub为向上借位的值，由上表可知，仿真结果与理论值（全减器真值表）一致，故仿真成功。
一位全加器VHDL的设计实验报告
EDA技术及应用实验报告——一位全加器VHDL的设计班级：XXX姓名：XXX学号：XXX一位全加器的VHDL设计一、实验目的：1、学习MAX+PLUSⅡ软件的使用，包括软件安装及基本的使用流程。
2、掌握用VHDL设计简单组合电路的方法和详细设计流程。
3、掌握VHDL的层次化设计方法。
二、实验原理：本实验要用VHDL输入设计方法完成1位全加器的设计。
1位全加器可以用两个半加器及一个或门连接构成，因此需要首先完成半加器的VHDL设计。
采用VHDL层次化的设计方法，用文本编辑器设计一个半加器，并将其封装成模块，然后在顶层调用半加器模块完成1位全加器的VHDL设计。
三、实验内容和步骤：1、打开文本编辑器，完成半加器的设计。
2、完成1位半加器的设计输入、目标器件选择、编译。
3、打开文本编辑器，完成或门的设计。
4、完成或门的设计输入、目标器件选择、编译。
5、打开文本编辑器，完成全加器的设计。
6、完成全加器的设计输入、目标器件选择、编译。
7、全加器仿真8、全加器引脚锁定四、结果及分析：该一位加法器是由两个半加器组成，在半加器的基础上，采用元件的调用和例化语句，将元件连接起来，而实现全加器的VHDL编程和整体功能。
全加器包含两个半加器和一或门，1位半加器的端口a和b分别是两位相加的二进制输入信号，h是相加和输出信号，c是进位输出信号。
构成的全加器中，A,B,C分别是该一位全加器的三个二进制输入端，H是进位端，Ci是相加和输出信号的和，下图是根据试验箱上得出的结果写出的真值表：信号输入端信号输出端Ai Bi Ci Si Ci0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1。
EDA技术实用教程-VHDL版课后答案
第一章1-1 EDA技术与ASIC设计和FPGA开发有什么关系? P3~4答：利用EDA技术进行电子系统设计的最后目标是完成专用集成电路ASIC的设计和实现；FPGA和CPLD是实现这一途径的主流器件。
FPGA和CPLD通常也被称为可编程专用IC，或可编程ASIC。
FPGA和CPLD的应用是EDA技术有机融合软硬件电子设计技术、SoC（片上系统）和ASIC设计，以及对自动设计与自动实现最典型的诠释。
1-2与软件描述语言相比，VHDL有什么特点? P6答：编译器将软件程序翻译成基于某种特定CPU的机器代码，这种代码仅限于这种CPU而不能移植，并且机器代码不代表硬件结构，更不能改变CPU的硬件结构，只能被动地为其特定的硬件电路结构所利用。
综合器将VHDL 程序转化的目标是底层的电路结构网表文件，这种满足VHDL设计程序功能描述的电路结构，不依赖于任何特定硬件环境；具有相对独立性。
综合器在将VHDL(硬件描述语言)表达的电路功能转化成具体的电路结构网表过程中，具有明显的能动性和创造性，它不是机械的一一对应式的“翻译”，而是根据设计库、工艺库以及预先设置的各类约束条件，选择最优的方式完成电路结构的设计。
l-3什么是综合?有哪些类型?综合在电子设计自动化中的地位是什么? P5什么是综合? 答：在电子设计领域中综合的概念可以表示为：将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配的过程。
有哪些类型? 答：(1)从自然语言转换到VHDL语言算法表示，即自然语言综合。
(2)从算法表示转换到寄存器传输级(RegisterTransport Level，RTL)，即从行为域到结构域的综合，即行为综合。
(3)从RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示，即逻辑综合。
(4)从逻辑门表示转换到版图表示(ASIC设计)，或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。
综合在电子设计自动化中的地位是什么? 答：是核心地位（见图1-3）。
一位全减器
实验一 1位二进制全减器设计一、实验目的1．熟悉Quartes II集成开发软件的使用；2．初步熟悉PH-1V型实验装置的使用；3 . 学习用原理图输入法和文本输入法进行简单的数字电路设计，掌握系统仿真，学会分析硬件测试结果。
二、实验内容与要求1．采用原理图输入法和文本输入法分别实现，分层设计，底层由半减器（也用原理图输入法）和逻辑门组成；2．建立波形文件，并进行系统仿真，用软件验证设计结果；3. 在仿真正确的情况下，对1位二进制半加/减器分别下载到实验箱中做硬件测试三、实验原理及设计思路根据一位二进制全减器的工作原理，可得其真值表为（如下：cin表示低位向本位借位。
cout 表示本位向高位借位)由EDA教程中全加器的顶层设计描述及半加器调用可类比到全减器的设计，可由先对半减器进行描述，然后进行两次调用。
半减器的工作时的逻辑表达式为：so=a XOR b ；co=(NOT a)AND b 四、实验程序（程序来源：EDA技术实验教程）LIBRARY IEEE ; ——或门逻辑描述USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY or2a ISPORT (a, b :IN STD_LOGIC;c : OUT STD_LOGIC );END ENTITY or2a;ARCHITECTURE one OF or2a ISBEGINc <= a OR b ;END ARCHITECTURE one;LIBRARY IEEE; ——半减器描述USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY h_suber ISPORT (a, b : IN STD_LOGIC;co, so : OUT STD_LOGIC);END ENTITY h_suber;ARCHITECTURE fh1 OF h_suber isBEGINso <= a xor b ;co <= (not a )AND b ;END ARCHITECTURE fh1;LIBRARY IEEE; ——1位二进制全减器顶层设计描述USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY f_suber ISPORT (ain,bin,cin : IN STD_LOGIC;cout,sum : OUT STD_LOGIC );END ENTITY f_suber;ARCHITECTURE fd1 OF f_suber ISCOMPONENT h_suber ——调用半减器声明语句PORT ( a,b : IN STD_LOGIC;co,so : OUT STD_LOGIC);END COMPONENT ;COMPONENT or2a ——调用或门声明语句PORT (a,b : IN STD_LOGIC;c : OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;SIGNAL d,e,f : STD_LOGIC; ——定义3个信号作为内部的连接线BEGINu1 : h_suber PORT MAP(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e); ——例化语句u2 : h_suber PORT MAP(a=>e, b=>cin,co=>f,so=>sum);u3 : or2a PORT MAP(a=>d, b=>f,c=>cout);END ARCHITECTURE fd1 ;五、实验步骤：1.打开Quartes II软件，建立工程文件，注意工程名要与实体名一致：2、打开QuartusII,选择菜单File->New->VHDL.File,建立vhdl文件，将以上程序输入并进行编译；3、建立波形文件，并进行系统仿真，注意设置仿真结束时间以及添加结点；4、输入信号波形Tools->Options->Waveform Editor，进行功能仿真Tools->Simulator Tools，在Simulator Mode选择Functional，仿真表生成后点击Start开始仿真，完成后点击Report结果如下图所示；5、引脚锁定,及设置流程对各管脚进行分配，将ain分配给53，bin分配给54，cin分配给55。
EDA实训资料1·全加器&全减器程序
给出1位全减器的VHDL描述。
首先设计1位半减器，然后用例化语句将它们连接起来底层文件半减器（h_suber）程序设计：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY h_suber ISPORT ( x , y : IN STD_LOGIC;diff , s_out : OUT STD_LOGIC ) ;END ENTITY h_suber;ARCHITECTURE fh1 OF h_suber ISSIGNAL abc : STD_LOGIC_VECTOR ( 1 DOWNTO 0 ) ;BEGINabc <= x & y ;PROCESS ( abc )BEGINCASE abc ISWHEN "00" => diff <= '0'; s_out <= '0' ;WHEN "01" => diff <= '1'; s_out <= '1' ;WHEN "10" => diff <= '1'; s_out <= '0' ;WHEN "11" => diff <= '0'; s_out <= '0' ;WHEN OTHER => NULL ;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE fh1 ;底层文件或门（or2a）程序设计：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY or2a ISPORT ( a , b : IN STD_LOGIC;c : OUT STD_LOGIC ) ;END ENTITY or2a;ARCHITECTURE one OF or2a ISBEGINC <= a OR b ;END ARCHITECTURE one;根据连接图，顶层文件全减器（f_suber）程序设计：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY f_suber ISPORT ( xin , yin , sub_in : IN STD_LOGIC;diffout , sub_out : OUT STD_LOGIC ) ;END ENTITY f_suber;ARCHITECTURE fd1 OF f_suber ISCOMPONENT h_suberPORT ( x , y : IN STD_LOGIC;diff , s_out : OUT STD_LOGIC ) ;END COMPONENT ;COMPONENT or2aPORT ( a , b : IN STD_LOGIC;c : OUT STD_LOGIC ) ;END COMPONENT ;SIGNAL d , e , f : STD_LOGIC;BEGINu1 : h_suber PORT MAP ( x => xin , y => yin , diff => d , s_out => e );u2 : h_suber PORT MAP ( x => d , y => sub_in , diff => diffout , s_out => f ); u3 : or2a PORT MAP ( a => f , b => e , c => sub_out );END ARCHITECTURE fd1;全加器程序参照自动化同学课本，原理与全减器类似。
用VHDL结构描述设计一全减器
下面再将或门的VHDL程序描述如下：
ENTITY orgate IS PORT(A1,B1:IN BIT; O1:OUT BIT); END orgate;
ARCHITECTURE orgate_arc OF orgate IS BEGIN O1<= A1 OR B1; END orgate_arc;
I1 I2
U0 halfsub
temp_T
ห้องสมุดไป่ตู้
U1
FT
C_OUT
BEGIN U0:halfsub PORT MAP(I1,I2,temp_T,temp_c1); U1:halfsub PORT MAP(temp_T,C_IN,FT,temp_c2); U2:orgate PORT MAP(temp_c1,temp_c2,C_OUT); END fullsub_arc; 图中虚线框各元件之间 halfsub 的连线命名。temp_T将第一 temp_c2 个半减器的差位输出连到第 C_IN 二个半减器的输入端。信号 temp_c1 temp_c1将第一个半减器的借 U2 位输出连至“或”门的一个输入 端，信号temp_c2将第二个半 减器的借位输出连至“或”门的 另一个输入端。 用三个元件调用语句定义这三个连接关系。
用VHDL结构描述设计一全减器，全减器可由两个 半减器和一个或门组成。
I1 I2 C_IN
U0 temp_T U1 FT halfsub halfsub temp_c2 temp_c1 U2 C_OUT
首先用VHDL的行为描述设计半减器：
ENTITY halfsub IS PORT(A,B:IN BIT; T,C:OUT BIT); END halfsub; ARCHITECTURE halfsub_arc OF halfsub IS BEGIN PROCESS(A,B) BEGIN T<= A XOR B AFTER 10 ns; C <= (NOT A) AND B AFTER 10 ns; END PROCESS; END halfsub_arc;
vhdl 四输入表决器 二位二进制乘法器 一位二进制全减器等源代码及仿真波形
将8421BCD转换为余3码源代码：Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Entity bcd isPort(a:in std_logic_vector(3 downto 0);y:out std_logic_vector(3 downto 0));End;Architecture rtl of bcd isBeginProcess(a)BeginCase a isWhen"0000"=>y<="0011";When"0001"=>y<="0100";When"0010"=>y<="0101";When"0011"=>y<="0110";When"0100"=>y<="0111";When"0101"=>y<="1000";When"0110"=>y<="1001";When"0111"=>y<="1010";When"1000"=>y<="1011";When"1001"=>y<="1100";When others=>y<="ZZZZ";End case;End process;End;仿真图形：（仿真结果均有延时，大约20ns）四输入表决器源代码：Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Entity bjq isPort(i:in std_logic_vector(3 downto 0);f:out std_logic);End;Architecture nm2 of bjq isBeginProcess(i)Begincase i isWhen"0000"=>f<='0';When"0001"=>f<='0';When"0010"=>f<='0';When"0011"=>f<='0';When"0100"=>f<='0';When"0101"=>f<='0';When"0110"=>f<='0';When"0111"=>f<='1';When"1000"=>f<='0';When"1001"=>f<='0';When"1010"=>f<='0';When"1011"=>f<='1';When"1100"=>f<='0';When"1101"=>f<='1';When"1110"=>f<='1';When"1111"=>f<='1';When others=>f<='Z';End case;End process;End;仿真图形：2位二进制相乘电路源代码：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity multi isport(A,B:in std_logic_vector(1 downto 0);F:out std_logic_vector(3 downto 0));end;architecture bhv of multi isbeginprocess(A,B)beginif(A="01" and B="01" )thenF<="0001";elsif(A="01" and B="10")thenF<="0010";elsif(A="01" and B="11")thenF<="0011";elsif(A="10" and B="01")thenF<="0010";elsif(A="10" and B="10")thenF<="0100";elsif(A="10" and B="11")thenF<="0110";elsif(A="11" and B="01")thenF<="0011";elsif(A="11" and B="10")thenF<="0110";elsif(A="11" and B="11")thenF<="1001";elseF<="0000";end if;end process;end;仿真图形：一位二进制全减器源代码：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity subtracter isport(A,B,Ci:in std_logic;F,Co:out std_logic);end;architecture bhv of subtracter isbeginprocess(A,B,Ci)beginif(A='0' and B='0' and Ci='0')thenF<='0';Co<='0';elsif(A='0' and B='0' and Ci='1')thenF<='1';Co<='1';elsif(A='0' and B='1' and Ci='0')thenF<='1';Co<='1';elsif(A='0' and B='1' and Ci='1')thenF<='0';Co<='1';elsif(A='1' and B='0' and Ci='0')thenF<='1';Co<='0';elsif(A='1' and B='0' and Ci='1')thenF<='0';Co<='0';elsif(A='1' and B='1' and Ci='0')thenF<='0';Co<='0';elseF<='1';Co<='1';end if;end process;end;仿真图形：开关控制电路源代码：Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Entity switch_control isPort(a,b,c:in std_logic;y:out std_logic);End;Architecture nm5 of switch_control isBeginProcess(a,b,c);V ariable comb:std_logic_vector(2 downto 0);BeginComb:=a&b&c;Case comb isWhen"000"=>y<='0';When"001"=>y<='1';When"011"=>y<='0';When"010"=>y<='1';When"110"=>y<='0';When"111"=>y<='1';When"101"=>y<='0';When"100"=>y<='1';When others=>y<='X';End case;End process;End;仿真图形：。
一位全加器VHDL的设计实验报告
EDA技术及应用实验报告——一位全加器VHDL的设计班级：XXX姓名：XXX学号：XXX一位全加器的VHDL设计一、实验目的：1、学习MAX+PLUSⅡ软件的使用，包括软件安装及基本的使用流程。
2、掌握用VHDL设计简单组合电路的方法和详细设计流程。
3、掌握VHDL的层次化设计方法。
二、实验原理：本实验要用VHDL输入设计方法完成1位全加器的设计。
1位全加器可以用两个半加器及一个或门连接构成，因此需要首先完成半加器的VHDL设计。
采用VHDL层次化的设计方法，用文本编辑器设计一个半加器，并将其封装成模块，然后在顶层调用半加器模块完成1位全加器的VHDL设计。
三、实验内容和步骤：1、打开文本编辑器，完成半加器的设计。
2、完成1位半加器的设计输入、目标器件选择、编译。
3、打开文本编辑器，完成或门的设计。
4、完成或门的设计输入、目标器件选择、编译。
5、打开文本编辑器，完成全加器的设计。
6、完成全加器的设计输入、目标器件选择、编译。
7、全加器仿真8、全加器引脚锁定四、结果及分析：该一位加法器是由两个半加器组成，在半加器的基础上，采用元件的调用和例化语句，将元件连接起来，而实现全加器的VHDL编程和整体功能。
全加器包含两个半加器和一或门，1位半加器的端口a和b分别是两位相加的二进制输入信号，h是相加和输出信号，c是进位输出信号。
构成的全加器中，A,B,C分别是该一位全加器的三个二进制输入端，H是进位端，Ci是相加和输出信号的和，下图是根据试验箱上得出的结果写出的真值表：信号输入端信号输出端Ai Bi Ci Si Ci0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1。
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采用VHDL层次化文件设计一个一位全减器
一、实训目的
1.巩固编译、仿真VHDL文件的方法。
2.掌握在Quatrus Ⅱ中使用自定义库和程序包的方法。
二、实训器材
计算机与Quartus Ⅱ工具软件。
三、实训指导
（一）实训原理
一位全减器的真值表如表3-1所示：
表3-1 一位全减器的真值表
（二）实训步骤
1.设计输入VHDL文件
（1）设计输入底层文件my_package.vhd。
（2）设计输入顶层文件fullsub_work.vhd。
以fullsub_work为工程文件夹，fullsub_work.vhd为顶层文件新建的一个工程项目，把my_package.vhd文件添加到工程中。
执行Project→Add/Remove Files in Project…把my_package.vhd文件添加到工程下。
VHDL代码如下：
my_package.vhd文件代码如下：
PACKAGE my_package IS
PROCEDURE halfsub (SIGNAL a,b:IN BIT; SIGNAL s,c:OUT BIT);
PROCEDURE orgate (SIGNAL a1,b1:IN BIT; SIGNAL o1:OUT BIT);
END my_package;
PACKAGE BODY my_package IS
PROCEDURE halfsub (SIGNAL a,b:IN BIT; SIGNAL s,c:OUT BIT) IS
BEGIN
s<=a XOR b AFTER 10 ns;
c<=(NOT a) AND b AFTER 10 ns;
END PROCEDURE halfsub;
PROCEDURE orgate (SIGNAL a1,b1:IN BIT; SIGNAL o1:OUT BIT) IS
BEGIN
o1<=a1 OR b1;
END PROCEDURE orgate;
END my_package;
fullsub_work.vhd文件代码如下：
USE WORK.my_package.ALL;
ENTITY fullsub_work IS
PORT(i1,i2,c_in:IN BIT;
fs,c_out:OUT BIT);
END fullsub_work;
ARCHITECTURE a OF fullsub_work IS
SIGNAL temp_s,temp_c1,temp_c2:BIT;
BEGIN
U0:halfsub(i1,i2,temp_s,temp_c1);
U1:halfsub(temp_s,c_in,fs,temp_c2);
U2:orgate(temp_c1,temp_c2,c_out);
END a;
2.编译顶层设计文件
把my_package.vhd文件放入fullsub_work文件夹中，直接编译顶层文件同时也就编译底层模块文件。
若有错误，则加以纠正，直到通过为止。
3.仿真顶层设计文件
最后，仿真顶层文件，若发现功能错误，应检查其原因，并加以纠正。
一位全减器的仿真图如图3-1所示：
图3-1 一位全减器仿真波形图。