第三部分数字电子技术仿真实验.docx
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第三部分数字电子技术仿真实验
第三部分数字电子技术仿真实验
实验一QuartusII图形输入软件操作
一、实验目的
(1)了解并掌握QuartusII软件图形输入的使用方法。
(2)了解并掌握仿真(功能仿真及时序仿真)方法及验证设计正确性。
(3)了解并掌握EDAQuartusII中的原理图设计方法。
二、实验内容及步骤
1.实验内容
本实验通过简单的例子介绍FPGA开发软件QuartusII的使用流程,包括图形输入法的
设计步骤和仿真验证的使用以及最后的编程下载。
图形编辑输入法也称为原理图输入设计法。
用QuartusII的原理图输入设计法进行数字
系统设计时,不需要了解任何硬件描述语言知识,只要掌握数字逻辑电路基本知识,就能使
用QuartusII提供的EDA平台设计数字电路或系统。
QuartusII的原理图输入设计法可以与传统的数字电路设计法接轨,即把传统方法得到
的设计电路的原理图,用EDA平台完成设计电路的输入、仿真验证和综合,最后编程下载
到可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)或专用集成电路(ASIC)中。
2.实验步骤:
在QuartusII中通过原理图的方法,使用与门和异或门实现半加器。
第1步:
打开QuartusII软件。
第2步:
新建一个空项目。
选择菜单File->NewProjectWizard,进入新建项目向导,如图3-1所示,填入项目的名
称“hadder”,默认项目保存路径在Quartus安装下,也可修改为其他地址,视具体情况而定。
图3-1新建项目向导
第3步:
单击Next按钮,进入向导的下一页进行项目内文件的添加操作,如果没有文
件需要添加进项目,则直接点击Next按钮既可。
第4步:
选择CPLD/FPGA器件,如图3-2所示,选择芯片系列为“MAXII”,型号为
“EPM240T100C5”。
图3-2器件选择
第5步:
向导的后面几步不做更改,直接点击Next即可,最后点击Finish结束向导。
到此即完成了一个项目的新建工作。
第6步:
新建一个图形文件。
选择File->New命令,选择“Diagram/SchematicFile”,点
击OK按钮完成。
将该图形文件另存为。
图形编辑窗口如图3-3所示,窗口左边
是图形编辑工具条。
图3-3图形编辑窗口
第7步:
在图形编辑窗口的空白处双击,打开符号库窗口,如图3-4所示。
展开符号库
“,可以看到有三个类别,分别是“megafunctions”——表示具有宏功能的
符号,“others”——主要是一些常用的集成电路符号,“primitives”——主要是一些基本门
电路符号、引脚和接地、电源符号等。
窗口中的“name”框可快速检索到需要的符号,例
如当输入型号“7408”,符号库立刻找到相应集成电路的符号,如图3-5所示。
图3-4符号库图3-5选中符号方法一
第8步:
选择好需要的符号后,单击OK按钮,界面将回到原理图编辑界面,然后单击左
键即在窗口内放置该符号。
再用同样的方法,在“name”框中输入“xor”即可找到异或门
的符号;如图3-6所示。
图3-6选中符号方法二
第9步:
在图形编辑窗口中分别放置与门“7408”和异或门“xor”,如图3-7所示。
图3-7
第10步:
再次打开符号,在“name”栏中输入“input”,符号库自动在库中找到输入
“input”符号(如图3-8所示),并选中“Repeat-insertmode”点击OK按钮,可反复在编辑
窗口中放入输入符号,直单击右键取消放置为止。
由于输入信号一共有2个,所以需要放入2个输入符号,并将2个输入符号命名为a和b。
用同样的方法放置2个输出“output”符号,并分别命名为s、cout。
再选择工具栏中的按钮,将各符号连接起来,结果如图3-9所示。
图3-8“input”符号图3-9符号连接
第11步:
保存图形文件,进行语法检查和编译。
通过快捷按钮,对上面的代码进行语法检查和综合,同时在信息(Messages)窗口
中显示检查结果,如程序中有错误,也将指出错误的地方以便修正。
如果没有错误,则使用
快捷按钮进行编译。
编译结束后会自动打开一个编译报告(CompilationReport)窗口,如图
3-10所示。
图3-10编译报告
第12步:
仿真。
在开发板上实现该电路之前,可以先在Quartus软件中对电路进行功能仿真,以测试电路逻辑的正确性。
在仿真之前,先要建立一个矢量波形文件,包含输入信号的波形,并指定需要观察的输出信号。
执行File->New命令,选择“OtherFiles”选项页中VectorWaveformFile,并单击OK按钮,打开矢量波形编辑器窗口,如图3-11所示。
图3-11矢量波形编辑器窗口
第13步:
另存矢量波形文件为。
执行Edit->InsertNodeorBus命令,将需要仿真的输入和输出节点加入到波形中来,其窗口如图3-12所示。
可以在Name框中直接输入节点的名称,也可点击NodeFinder按钮,打开节点搜索窗口,如图3-13所示。
在Filter下拉框中选择所要寻找的节点类型,这里选择“Pins:
all”,点击List按钮,在NodesFound框中列出所有的引脚。
-6-
图3-12加入要仿真的输入输出节点
图3-13节点搜索窗口
第14步:
选择所有引脚,单击按钮,将所有引脚添加到SelectedNodes框中,再按
OK按钮返回波形编辑器窗口,如图3-14所示。
选择波形工具栏中的按钮,在波形图上左
击或右击分别进行波形的放大和缩小。
图3-14波形编辑器窗口
-7-
第15步:
编辑a和b的输入波形,再由仿真器输出y的波形。
首先选中需要编辑的波形区间,再选择波形工具栏中的按钮,对选中区间进行置1或0。
最后的输入波形如图3-15
所示,保存矢量波形文件。
图3-15编辑输入波形
第16步:
功能仿真。
选择Processing->SimulatorTool,窗口如图3-16所示。
选择仿真模式(Simulatormode)为“Functional”,并选择文件作为仿真输入(Simulationinput)波形文件。
点击GenerateFunctionalSimulationNetlist按钮,生成仿真网表。
然后点击Start按钮,开始仿真。
在仿真完成后,点击Report按钮即可观看仿真的结果,如图3-17所示。
从波形可以看出,程序的逻辑功能与半加器相符。
图3-16仿真模式选择
图3-17功能仿真输出波形
第17步:
引脚分配。
通常,如果用户不对引脚进行分配,Quartus软件会自动随机为设计分配引脚,这一般
无法满足需求。
在开发板上,FPGA与外部器件的连接是确定的,其连接关系可参看附录。
如果选择数码开关SW0和SW1分别代表输入信号a和b、LED15和LED16代表输出信号s和cout,则通过附录查表可知它们分别对应CPLD的引脚PIN_39、PIN_38、PIN_15和PIN_16。
选择Assignments->Pins命令,打开引脚规划器(PinPlanner),如图3-18所示。
接着双击
信号a的Location栏,在下拉框中选择PIN_39,其他信号通过相同的办法进行分配。
图3-18引脚分配
第18步:
在仿真正确,并锁定自定引脚后,通过按钮对项目再次编译。
第19步:
时序仿真。
时序仿真不仅可以仿真其逻辑功能是否正确,同时可以仿真出信号之间的时间延迟。
时
序仿真又称后仿真,通常是在编译完成后进行。
再次选择Processing->SimulatorTool,并将仿真模式设为“Timing”,然后点击Start按钮。
最后点击Report按钮查看仿真结果,结果如图3-19所示。
与功能仿真结果图相比较,可以看出时序仿真的输出带有一定的延迟。
第20步:
程序下载。
1)用USB连接线连接DE2和电脑,选择Tools->Programmer命令,打开配置窗口,如图3-20
所示。
2)图3-18中第一列显示“NoHardware”,说明未指定硬件设备,单击HardwareSetup按钮,
打开硬件设置窗口,如图3-21所示。
双击列表框中的USB-Blaster,然后点击Close按钮,完
成硬件设置。
图3-21硬件设置窗口
3)从图3-22可以看出,硬件已经设置完成,而且待配置的文件也已经在文件列表中。
然
后选中Program/Config选项,单击Start按钮,开始编程。
编程结束后,即可在开发板上验证。
图3-22程序下载界面
三、实验报告与要求
(1)总结QuartusII软件设计的过程及步骤。
通过本次的QuartusII软件设计实验我了解并掌握QuartusII软件图形输入的使用方法,
同时了解并掌握仿真方法及验证设计正确性,也了解并掌握EDAQuartusII中的原理图设计方法,学习了很多。
(2)画出实验中的两张仿真波形。
分析功能仿真和时序仿真的不同。
功能仿真和时序仿真的不同点:
时序仿真有延迟。
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