《EDA原理与应用》实验指导书(季版).doc
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1、EDA原理与应用 实 验 指 导 书 编 写适用专业:通信工程 闽江学院计算机科学系 2010年7月前 言在现代通信控制,电子测量等众多领域,都广泛的应用电子技术。EDA(电子设计自动化)技术的飞速发展,要求专业技术人员能较快地掌握该技术的应用。为了帮助广大同学更好地学习EDA技术,我们编写了本实验指导书。本着快速掌握,即学即用和实用易学的目的,本书采用了理论从略、应用从祥的原则。本书包括模拟验证性实验,以完成一个实际应用为例,引导学生完成并掌握整个设计过程,实验由简单到复杂,由单一到综合,巩固和加强学生对基本理论的掌握,训练提高学生的基本设计能力;设计性实验,提出实验目的要求和实验内容及约束
2、条件,设计方案、功能选择由学生自行拟定,以培养学生独立组织实验和创新设计的能力。本指导书适用通信工程专业,共包含六个实验,其中实验一、实验六为必做,实验二、实验三、实验四、实验五至少选作两个。目 录 1、实验一:QuartusII应用 12、实验二:加法器设计143、实验三:优先编码器设计164、实验四:触发器设计185、实验五:分频器设计206、实验六:数字钟设计227、附:实验报告格式23实验一:QuartusII应用实验学时:2学时实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的通过本实验的学习,使学生掌握EDA工具软件的应用,为后续理论及实验学习奠定基础二、实验内容编辑文件,创建工程,编译,目
3、标芯片的配置,仿真。三、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件,采用集中授课形式。四、实验条件安装QUARTUSII软件的计算机。五、实验步骤利用Quartus设计数字系统之前,应该先建立一个文件夹,此文件夹可作为Quartus默认的工作库。Quartus中任何一项设计都是一项工程,在工程设计过程中,会产生许多仅扩展名不同的同名文件,放在同一个文件夹下,便于统一管理。出于同样的原因,不同的设计项目最好放在不同的文件夹中。在本例中,建立文件夹D:Designs作为工作库,以便将设计过程中的相关文件存储于此。1 编辑文件(1)启动Quartus双击桌面上的Quartus图标或单击开始按扭
4、,启动Quartus。其初始界面如图1所示。图1 初始界面(2)编辑文件单击标题栏中的FileNew对话框,如图2所示。图2 输入选择对话框单击New对话框的Device Design Files选项卡,选择编译文件的语言类型。这里选择VHDL Files,选好后单击【OK】按钮,打开VHDL文本编辑器窗口,并在其中输入图3所示的程序,这是一个与门的VHDL程序。图3 文本编辑器输入完成之后,单击FileSave As选项,将编辑的文本文件存在已建立的文件夹d:Designs下,存盘文件名应该与VHDL程序的实体名一致,即ex1_v.vhd。当出现问句Do you want to create
5、时,可选“否”。2创建工程(1)打开建立新工程向导单击FileNew Project Wizard菜单,出现新建工程向导对话框,如图4所示。图4 新建工程向导在图4中,单击【Next】按钮,出现如图5所示的工程基本设置对话框。图5 工程基本设置在最上面的输入框中输入工作库文件夹的地址,本例的地址是D:Designs,或者单击该对话框最上一栏右侧的【】按钮,出现如图6所示的对话框。如果所见与图6不同,可单击查找范围输入框旁的下三角按钮,在下拉框中选定D: Designs文件夹后,单击【打开】按钮,返回图5。(2) 将设计文件加入工程中单击图7中的【Next】按钮,在弹出的对话框中,将与本工程有关
6、的文件加入,有两种方法:一种是单击右边的【Add All】按钮,将设定工程目录中的所有VHDL文件加入到工程文件栏;另一种是单击【Add 】按钮,从工程目录中选出相关的VHDL文件。完成后,如图8所示。图6 选择文件夹目录图5中间的输入框要求输入该工程的名称,一般可以用顶层文件的名称作为工程名称,本例的顶层文件名是ex1_v。最下面的输入框要求输入顶层设计文件实体的名称,本例顶层文件的实体名称是ex1_v。完成后,如图7所示。图7 新建工程基本情况图8 加入设计文件(3) 选择仿真器和综合器类型单击图8中的【Next】按钮,这时弹出选择仿真器和综合器类型的窗口。如果选择默认的NONE,表示使用
7、Quartus中自带的仿真器和综合器。在本例中都选默认的NONE选项。如图9所示。图9 EDA工具设置(4) 选择目标芯片单击图9中的【Next】按钮,根据系统设计的实际需要选择目标芯片。首先在Family栏选择芯片系列,本例选择ACEX20KE系列。在此栏下方,询问选择目标器件的方式,选No,表示允许编程器自动选择该系列中的一个器件;单击Yes选项,表示手动选择。如图10所示。图10 器件模式本例采用手动选择,单击图10中的【Next】按钮,选择此系列的具体芯片:EP20K30ETC144-1,如图11所示。图11 目标器件选择单击【Next】按钮后,弹出工程设置统计窗口,如图12所示。图1
8、2 摘要(5) 结束设置最后单击图12中的【Finish】按钮,结束设置。在Quartus主窗口的左侧,如图13所示。图13 工程管理窗口该图是工程ex1_v 的工程管理窗口(或称Compilation Hierarchy窗口),主要显示本工程项目的层次结构和各层次的实体名。3目标芯片的配置(1) 选择目标芯片单击标题栏中的AssignmentsSettings菜单,在弹出的对话框中选Category下的Device选项,然后在右侧选择目标芯片EP20K30ETC144-1(此芯片已在建立工程时选定了)。也可在Available devices栏分别单击Package(封装形式)、Pin co
9、unt(管脚数量)和Speed(速度)来选定芯片。如图14所示。图14 选择器件对话框(2) 选择目标器件编程配置方式单击图14中的【Device & Pin Options】(本例中字母D被挡住了)按钮进入器件与管脚操作对话框,首先选择Configuration项,在此框的下方有相应的说明,在此可选Configuration方式为Passive Serial,这种方式可以直接由PC机配置,也可由专用配置器件进行配置。使用的配置器件选Auto(系统自动配置),如图15所示。图15 配置选项卡(3) 选择输出配置单击图15中的Programming Files选项卡,可以选Hexadecimal
10、,即产生下载文件的同时,产生十六进制配置文件,Start(起始地址)设为0,Count(计数)设为Up(递增方式)。如图16所示。此文件可用于单片机与EPROM构成的FPGA配置电路系统。图16 程序文件选项卡(4) 选择目标器件闲置管脚的状态单击图16中的Unused Pins选项卡,可根据实际需要选择目标器件空闲管脚的状态,有三种状态可供选择:作为输入并呈高阻状态、作为输出并呈低电平状态、作为输出并呈不确定状态。也可以对空闲管脚不作任何选择,而由编程器自动配置。如图17所示。图17 空闲管脚设置选项卡4编译(1)编译单击标题栏中的ProcessingStart Compilation选项,
11、启动全程编译。编译包括对设计输入的多项处理操作,其中包括排错、数据网表文件提取、逻辑综合、适配、装配文件(仿真文件与编程配置文件)生成,以及基于目标器件的工程时序分析等。如果工程文件中有错误,在下方的信息栏中会显示出来。可双击此条提示信息,在闪动的光标处(或附近)仔细查找,改正后存盘,再次进行编译,直到没有错误为止。编译成功的标志是所有进程都完成,如图18所示。图18 编译进程信息(2) 阅读编译报告编译成功后可以看到编译报告,如图19所示。左边栏目是编译处理信息目录,右边是编译报告。这些信息也可以在Processing菜单下的Compilation Report处见到。图19 编译报告5仿真
12、仿真就是对设计项目进行一项全面彻底的测试,以确保设计项目的功能和时序特性符合设计要求,保证最后的硬件器件的功能与原设计相吻合。仿真可分为功能仿真和时序仿真。功能仿真只测试设计项目的逻辑行为,而时序仿真不但测试逻辑行为,还测试器件在最差条件下的工作情况。(1) 建立波形文件与MAX+plus仿真操作相同,仿真前必须建立波形文件。单击FileNew选项,打开文件选择窗口。然后单击Other Files选项卡,选择其中的Vector Waveform File选项。如图20所示。图20 新文件选择(2) 打开波形编辑器单击图20中的【OK】按钮,即出现空白的波形编辑器,如图21所示。图21 波形编辑
13、器为了使仿真时间设置在一个合理的时间区域上,单击EditEnd Time选项,在弹出窗口中的Time输入框键入50,单位选us,即整个仿真域的时间设定为50微秒,如图22所示。图22 仿真时间设置单击【OK】按钮。结束设置后,要将波形文件存盘。单击FileSave as选项,将波形文件以文件名ex1_v.vwf(默认名)存入文件夹D:Designs中。(3) 输入信号节点单击ViewUtility WindowsNode Finder选项,会打开一个对话框。在该对话框的Filter空白栏中选Pins:all,然后点击【list】按钮。在下方的Nodes Found窗口中会出现了设计工程的所有端
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