数字电路教学实验指导书.doc

Basys 2数字电路实验指导书 同学们先去网上下载ISE软件，破解并安装！前 言一、实验课目的EDA实验课是电子工程类专业教学中重要的实践环节，涉及了ISE开发环境基本操作及Verilog语言、组合逻辑电路设计、流水灯设计、计数器设计、扫描显示电路的驱动、综合层次性实验交通灯或数字秒表设计实验。规定学生通过实验学会对的使用EDA技术，掌握FPGA器件的开发，纯熟使用ISE开发环境，掌握Verilog语言的编程，掌握数字电路和系统的设计。通过实验，使学生加深对课堂专业教学内容的理解，培养学生理论联系实际的能力，实事求是，严谨的科学作风，使学生通过实验结果，运用所学的理论去分析研究EDA技术。培养学生使用EDA实验设备的能力以及运用实验方法解决实际问题的能力。二、实验规定： 1.课前预习 认真阅读实验指导书，了解实验内容； 认真阅读有关实验的理论知识； 读懂程序代码。2.实验过程 准时到达实验室； 认真听取老师对实验内容及实验规定的讲解； 认真进行实验的每一步，观测程序代码与仿真结果是否相符； 将实验过程中程序代码和仿真结果提交给老师审查； 做完实验后，整理实验设备，关闭实验开发板电源、电脑电源后方可离开。3.实验报告 按规定认真填写实验报告书；认真分析实验结果；准时将实验报告交给老师批阅。三、实验学生守则1保持室内整洁，不准随地吐痰、不准乱丢杂物、不准大声喧哗、不准吸烟、不准吃东西；2.爱惜公务，不得在实验桌及墙壁上书写刻画，不得擅自删除电脑里面的文献；3.安全用电，严禁触及任何带电体的裸露部分，严禁带电接线和拆线；4.任何规章或不按老师规定操作导致仪器设备损坏须论价补偿。目 录实验一 ISE开发环境入门_五人表决器4实验二加法器、乘法器、比较器的设计26实验三 流水灯28实验四 计数器30实验五 综合层次性实验交通灯设计32实验六 综合层次性实验数字秒表设计34附录一 basys 2开发板资料 36实验一 ISE开发环境入门一、实验目的1.了解ISE开发环境及基本操作。2.熟悉设计方法和环节。3.掌握电路的综合和实现。4.掌握电路仿真与时序分析。5.熟悉3/8线译码器工作原理和五人表决器设计。二、实验内容和基本原理1.以3/8线译码器为例，总体思绪以Basys 2开发板中的三个拨位开关，SW2，SW1,SW0为三个输入信号，可以代表8种不同的状态，该译码器对这8种状态译码，并把所译码的结果在八个发光二级管（LD7LD0）上显示。2.输入与输出之间逻辑关系 3.以Basys 2开发板中的五个拨位开关，SW4，SW3,SW2，SW1,SW0为五个输入信号，可以代表五个表决的人，当五个人中有三个以上批准时，则表决通过，并将表决的结果在LD0上显示出来。4. 其真值表： 输入输出ABCDEF001111010111011011011101100111101011101101110011110101111001011111101111110111111011111101111111others05.输入与输出之间逻辑关系f=abc+abd+abe+acd+ace+ade+bcd+bce+bde+cde;三、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。图1 Basys 2开发板四、ISE开发环境1、 建立工程。选择菜单“File”“New Preject”。点击New Project进入新建工程向导对话框输入工程名字：experiment1工程所在目录点击“Next”按纽顶层源文献类型点击“Next”后，进入工程设立对话框。产品范围(product category)芯片的系列(Family)具体的芯片型号(Device)封装类型（Package）速度信息（speed）综合工具（Synthesis Tool)仿真工具（Simulator）喜欢的语言（VHDL/Verilog）点击“Next”按钮对如下选项进行设立：Family:Spartan3EDevice:XC3S100EPackage:CP132TOP-Level Source：HDLSynthesis Tool：XST（VHDL/Verilog）Simulator：ISim（VHDL/Verilog）Preferred Language：Verilog点击“Next”后，进入工程摘要对话框。点击“Finish”按钮点击“Finish”后，完毕工程的创建。生成了空的工程框架1工程名器件名字12、建立Verilog源文献。选中器件名字，点击鼠标右键，弹出一个快捷菜单。选中器件名字，点击鼠标右键选中New Source选中“New Source”，进入新建源文献向导对话框，输入文献名。0IP生成向导000000000原理图文献用户文档文献Verilog模块模板文献Verilog测试平台模板文献VHDL模块模板文献VHDL库模板文献VHDL包模板文献VHDL测试平台模板文献片上系统设计向导0选择VHDL Module0输入”experiment”作为VHDL模块的名字点击“Next”按钮点击“Next”后，进入定义模块对话框，进行端口指定。0指定端口名0指定端口方向0指定位宽点击“Next”点击“Next”点击“Next”后，进入概要对话框。点击“Finish”点击“Finish”后，回到ISE主界面。生成的experiment1.v文献添加代码到experiment1.v文献中输入源程序代码：module experiment1( output 7:0 ld, input 2:0 sw );assign ld0=sw2&sw1&sw0;assign ld1=sw2&sw1& sw0;assign ld2=sw2& sw1&sw0;assign ld3=sw2& sw1& sw0;assign ld4= sw2&sw1&sw0;assign ld5= sw2&sw1& sw0;assign ld6= sw2& sw1&sw0;assign ld7= sw2& sw1& sw0;endmodule3、综合。选中experiment1.v文献双击进行综合4、仿真。先选中Simulation，然后选中器件名字，点击鼠标右键，弹出一个快捷菜单。点击“New Source”后，进入选择源文献类型对话框。选择关联文献概要进入仿真测试文献编辑窗口 输入测试程序代码module test;reg 2:0 sw;wire 7:0 ld;experiment1 uut (.ld(ld), .sw(sw);initial begin sw = 8b000;#100 sw = 3b001;#100 sw = 8b010;#100 sw = 8b011;#100 sw = 8b100;#100 sw = 8b101;#100 sw = 8b110;#100 sw = 8b111;end endmodule 右键单击“Simulate Behavioral Model”弹出快捷菜单，点击“run”命令。 进入ISim仿真器界面，选中Simulation菜单中的“Run”命令。显示仿真波形时序图。5、编写约束文献。选中器件名字，点击鼠标右键，弹出一个快捷菜单。选中器件名字，点击鼠标右键选中New Source选中“New Source”，进入新建源文献向导对话框，输入约束文献名。点击“Next”按钮输入约束文献名选中实现约束文献点击“Next”后，进入概要对话框。点击“Finish”按钮点击“Finish”后，回到ISE主界面，编辑约束文献。输入约束文献代码NET sw LOC=K3;NET sw LOC=L3;NET sw LOC=P11;NET ld LOC=G1;NET ld LOC=P4;NET ld LOC=N4;NET ld LOC=N5;NET ld LOC=P6;NET ld LOC=P7;NET ld LOC=M11;NET ld LOC=M5;6、实现双击进行实现选中experiment1.v文献7、生成编程文献双击生成编程文献选中experiment1.v文献8、下载将Basys 2开发板右上角的Mode左边两个引脚（PC）用跳帽短接（JTAG模式）。将Basys 2开发板左下角的Power开关打开。打开Digilent Adept下载软件，浏览选中编程文献，并进行下载。编程下载浏览选中下载文献9、功能测试五、实验环节1、新建一个工程，命名为vote5.xise。2、新建一个Verilog源文献，命名为vote5.v,编写源文献。3、综合4、新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。5、新建一个约束文献，命名为vote.ucf。6、实现7、生成编程文献8、下载9、功能测试六、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。说明：1、模仿3/8译码器的操作，写出下列五人表决器的VHDL程序并对其进行仿真和下载测试。2、按照实验报告模板完毕实验报告具体涉及：实验目的实验内容及基本原理重要实验设备型号及技术指标（计算机，Basys 2开发板，ISE开发环境）。实验方案与测试记录（实验方案涉及进行实验的硬件电路、Verilog程序、操作环节，测试记录涉及实验过程中测得的重要数据和现象）实验结果分析(分析实验过程中获得的数据、仿真波形、现象或问题的对的性和必然性，分析产生不对的结果的因素和解决方法)。实验二 加法器、乘法器、比较器的设计一、实验目的1. 进一步熟悉ISE开发环境及基本操作。2. 掌握两个四位二进制加法器模块的设计方法。3. 掌握两个四位二进制乘法器模块的设计方法。4. 掌握两个四位二进制比较器模块的设计方法。二、实验内容及基本原理以Basys 2开发板上的八个拨码开关(SW7，SW6,SW5，SW4，SW3,SW2，SW1,SW0)为八个输入信号，其中(SW7，SW6,SW5，SW4)表达一个四位二进制数a，（SW3,SW2，SW1,SW0)表达另一个四位二进制数b，结果在LD7LD0上显示出来。规定实现如下功能：(1) 两个四位二进制加法运算(2) 两个四位二进制乘法运算(3) 两个四位二进制比较运算三、实验环节1.新建一个工程，命名为adder.xise。2.新建一个Verilog源文献，命名为adder.v,编写源文献,实现加法器功能。3.综合4.新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。5.新建一个约束文献，命名为adder.ucf。6.实现7.生成编程文献8.下载9.功能测试说明：乘法器和比较器的设计环节参考加法器的环节。四、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。五、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。实验三 流水灯一、实验目的1. 进一步熟悉ISE开发环境及基本操作。2. 掌握分频电路的设计方法。3. 掌握流水灯的设计方法。二、实验内容及基本原理以Basys 2开发板上的晶振产生的50M的脉冲作为时钟信号，先进行分频，然后驱动八个led显示按照设立的模式显示。五个拨码开关，SW4，SW3,SW2，SW1,SW0为五个输入信号，可以控制五种闪烁模式，结果在LD7LD0上显示出来。规定实现如下功能：(1)从右往左依次点亮8个led。(2)从左往右依次点亮8个led。(3)从中间往两边依次点亮8个led。(4)从两边往中间依次点亮8个led。(5)8个led以1Hz的频率闪烁。三、实验环节1.新建一个工程，命名为flashled.xise。2.新建一个Verilog源文献，命名为flashled.v,编写源文献,实现交通灯功能。3.综合4.新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。5.新建一个约束文献，命名为flashled.ucf。6.实现7.生成编程文献8.下载9.功能测试四、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。五、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。实验四 计数器一、实验目的1. 进一步熟悉ISE开发环境及基本操作。2.计数器的设计方法。3.掌握七段数码管显示模块的设计方法。二、实验原理数码的显示方式一般有三种：第一种是字型重叠式；第二种是分段式；第三种是点阵式。目前以分段式应用最为普遍，重要器件是七段发光二极管（LED）显示器。它可分为两种，一是共阳极显示器（发光二极管的阳极都接在一个公共点上），另一是共阴极显示器（发光二极管的阳极都接在一个公共点上，使用时公共点接地）。 Basys 2开发板使用的数码管为四位共阳极数码管，每一位的共阳极7段数码管由7段发光LED组成，呈条字状，7个发光LED的阳极连接在一起，阳极分别连接至 FPGA相应引脚。an0、an1、an2和an3为四位7段数码管的位选择端。当其值为“0”时，相应的7段数码管被选通。当输入到7段数码管CACG和DP管脚的数据为低电平时，该管脚相应的段变亮，当输入到7段数码管CACG和DP管脚的数据为高电平时，该管脚相应的段变灭。规定按一次按键数码管上的数字加1。三、实验环节1.新建一个工程，命名为counter.xise。2.新建一个Verilog源文献，命名为counter.v,编写源文献,实现计数功能。3.综合4.新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。5.新建一个约束文献，命名为counter.ucf。6.实现7.生成编程文献8.下载9.功能测试四、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。五、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。实验五 交通灯一、实验目的1.掌握分频器的设计方法。2.掌握计数器的设计方法。3.掌握状态机的设计方法。二、实验内容及基本原理1234显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿灯的指示状态。用两组红黄绿三种颜色灯分别作为东西、南北两个方向的红、黄绿灯。变化规律为东西绿灯亮，南北红灯亮东西绿灯闪烁，南北红灯亮东西黄灯亮，南北红灯亮东西红灯亮，南北绿灯亮东西红灯亮，南北绿灯闪烁东西红灯亮，南北黄灯亮东西绿灯亮，南北红灯亮，如此循环。红灯亮30秒，黄灯亮5秒，绿灯亮20秒后闪烁5秒，时间可设立修改，在绿灯转为红灯时，规定黄灯先亮5秒钟，才干变换车道，规定有复位功能。其状态转换如下表所示：状态装换表状态东西方向南北方向statered1yellow1green1red2yellow2green200000110000100clock1s10001001010001110000110010000clock1s101100010交通灯信号控制系统一般由晶体振荡器、分频器、时间计数器、控制器以及译码显示电路组成，根据设计内容规定，其组成框图如图所示： 系统时钟分频器时间计数控 制 器复位信号紧急请求译码器时间显示东西灯南北灯三、实验环节1.新建一个工程，命名为trafficlights.xise。2.新建一个Verilog源文献，命名为trafficlights.v,编写源文献,实现交通灯功能。3.综合4.新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。5.新建一个约束文献，命名为trafficlights.ucf。6.实现7.生成编程文献8.下载9.功能测试四、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。五、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。实验六 数字跑表设计一、实验目的1.掌握Verilog的层次化设计法。2.掌握分频模块的设计方法。3.掌握计时模块的设计方法。4.掌握数码显示的设计方法。5.掌握模块的调用方法。二、实验内容及基本原理跑表是体育比赛中常用的计时仪器，设计一个数字跑表，它通过一个按键来控制计时的开始和暂停，另一个按键控制跑表清零。按下清零按键时，跑表清零，当清零按键无效时，按一下开始/暂停键则计时器开始计时，再按一下则暂停计时，再按一下则又继续计时。规定实现如下功能：(1)跑表的计时范围为0.01s59min59.99s，计时精度为10ms。(2)具有异步清零、启动、计时和暂停功能。(3)计时频率为100Hz。(4)数字跑表的分和秒在数码管上显示出来，百分秒的BCD码在8个led上显示出来。交通灯信号控制系统一般由晶体振荡器、分频器、时间计数器、控制器以及译码显示电路组成，根据设计内容规定，其组成框图如图所示：系统时钟分频器时间计数控 制 器复位信号开始暂停译码器数码管显示LED显示三、实验环节1.新建一个工程，命名为timer.xise。2.新建一个Verilog源文献，命名为div.v,编写源文献实现分频功能。3.新建一个Verilog源文献，命名为timer.v,编写源文献实现计时功能。4.新建一个Verilog源文献，命名为display.v,编写源文献实现数码显示功能。5.新建一个Verilog源文献，命名为timer.v,编写源文献实现数码显示功能。6.综合7.新建一个测试文献，命名为test.v，编写测试文献进行波形仿真。8.新建一个约束文献，命名为timer.ucf。9.实现10.生成编程文献11.下载12.功能测试四、重要仪器和设备重要仪器和设备：计算机，Basys 2开发板。五、实验报告规定1.写出设计思想及框图2.简述设计环节和调试过程。涉及总体电路设计、相应模块设计，以及在ISE上完毕的设计和仿真。相关文档涉及：Verilog HDL语言的源代码（程序要有具体的注释和功能说明）、引脚分派的约束文献、验证设计功能等设计的所有文档与调试的结果。3.写出结论及心得体会。4.按照实验报告模板，撰写实验报告。实验报告各项内容都要填好，不能空缺。源代码和图可以打印，其它内容手写。附录一 basys 2开发板资料Basys2 电路连接图Basys2 引脚定义表Basys2 引脚定义表