数电实验一译码器的实现实验报告

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一、实验目的

熟悉QuartusII仿真软件的基本操作，并用VHDL语言设计一个异或门、3-8译码器和模型机指令译码器。

二、实验内容

熟悉QuartusII软件的基本操作，了解各种设计输入方法

用VHDL语言设计一个异或门、3-8译码器和模型机指令译码器，查看并分析其原理图，最后进行仿真验证。

三、实验方法

1. 实验方法

采用基于FPGA进行数字逻辑电路设计的方法。

采用的软件工具是Quartus II。

2. 实验步骤

1. 新建，编写源代码。

(1).选择保存项和芯片类型：

【File】-【new project wizard】-【next】（设置文件路径，三个实验项目分别设置三个project name为XOR2、DECODER38和COMMAND）-【next】（add添加文件，三个实验项目分别设置文件名XOR2.vhd、DECODER38.vhd和COMMAND.vhd）-【properties】（检查文件类型type=VHDL）-【next】（三个项目都统一选择芯片类型family=Cyclone；name= EP1C3T100A8）-【next】-【finish】

(2).新建：

【file】-【new】（选择VHDL File）-【OK】

2. 写好源代码，保存文件

（分别为XOR2.vhd、DECODER38.vhd和COMMAND.vhd）。

3. 编译与调试。

确定源代码文件为当前工程文件，点击【processing】-【start compilation】进行文件编译，编译成功。

4. 波形仿真及验证（包括功能仿真和时序仿真）。

新建一个vector waveform file。通过操作：右击 -【insert】-【insert node or bus】-【node finder】（pins=all；【list】）-【>>】-【ok】-【ok】。接着设置输入波形，然后点击【start simulation】开始仿真，查看时序仿真输出波形图。

在【assignments】-【setting】-【simulator settings】-【simulation mode】中，将timing修改为functional，然后再点击【processing】- 【Generate Functional Simulation Netlist】成功后点击【start simulation】开始仿真，查看输出功能仿真波形图。

5. 时序分析：

选择【start classic timing analyzer】-在compilation report中选择【timing analysis】-【tpd】（查看引脚到引脚的延时）

6. 查看RTL Viewer:

【Tools】-【netlist viewer】-【RTL viewer】。

四、实验过程

（一）异或门的实现

1. 编译过程

编译报告，资源消耗如下：

结果分析及结论

程序正常通过编译，出现两则警告。第一则提示“定义的管脚没有和外部的管脚连接”，由于这次我们只用到仿真，不需要下载文件到板子上，因此暂时没有必要去分配管脚，可以不必理会。

第二则提示“尚未指定管脚的信号设置，默认将会接地”，解决办法：点击【assignments】-【device】-【device and pin options】-【unused pins】，设置为输入三态As input tri-stated,否则未用管脚的输出可能出错，修改后警告不复现。

2. 波形仿真

波形仿真过程：

插入A,B,C三个节点（A、B为输入节点，C为输出节点），设置输入波形，点击为A设置时钟信号period=200；offset=0，设置B

period=200；offset=30，保存并对应仿真。

功能仿真波形图

结果分析及结论

0-30ns：A=0，B=1，C=1；按异或门0⊕1=1正确；

30-60ns：A=0，B=0，C=0；按异或门0⊕0=0，正确；

60-90ns：A=1，B=0，C=1；按异或门1⊕0=1，正确；

90-120ns：A=1，B=1，C=0；按异或门1⊕1=0，正确；

时序仿真波形图

结果分析及结论

0-30ns：A=0，B=1，C=1；按异或门0⊕1=1正确；

30-40ns：A=0，B=0，C=1；按异或门0⊕0=0，但由于有时间延迟，反应慢了10ns。C显示的是0⊕1的情况；

40-60ns：A=0，B=0，C=0；按异或门0⊕0=0，正确；

60-70ns：A=1，B=0，C=0；按异或门1⊕0=1，但由于有时间延迟，反应慢了10ns。C显示的是0⊕0的情况；

70-90ns：A=1，B=0，C=1；按异或门1⊕0=1，正确；

90-100ns：A=1，B=1，C=0；按异或门1⊕1=0，但由于有时间延迟，反应慢了10ns。C显示的是1⊕0的情况；

100-120ns：A=1，B=1，C=0；按异或门1⊕1=0，正确；

3.时序分析

时序分析图

结果分析及结论

A引脚到C引脚的实际p2p时间为10.058ns，B引脚到C引脚的实际p2p时间为10.004ns。两者时延相近，A比B慢0.054ns，结果是由时间长的决定，故整体为10.058ns。

（二）3-8译码器的实现

1.编译过程

源代码如图（VHDL设计）

编译、调试过程编译报告，资源消耗如下：

警告信息共一条，与前一个项目的警告类型相似：

RTL视图

结果分析及结

程序正常通过编译，我采用的是直接对照最小值函数进行数据流方式的设计，从RTL电路原理图看出实际实现的电路原理是类似分层设计的样式。

3. 波形仿真

波形仿真过程：

插入A,B,C三个节点（A、B为输入节点，C为输出节点），设置输入波形，点击为A设置时钟信号period=60；offset=0，设置B period=120；offset=0，设置C period=240；offset=0，设置EN period=480; offset=0，保存并对应仿真。

功能仿真波形图

结果分析及结论

0-240ns：EN=0；使能开关关闭，输出为00000000，正确；

（240-480ns：EN=1，使能开关开启）

240-270ns：A=0，B=0，C=0，EN=1；最小项函数A’B’C’，输出10000000，正确；

270-300ns：A=1，B=0，C=0，EN=1；最小项函数AB’C’，输出01000000，正确；

300-330ns：A=0，B=1，C=0，EN=1；最小项函数A’BC’，输出001000000，正确；

330-360ns：A=1，B=1，C=0，EN=1；最小项函数ABC’，输出00010000，正确；

360-390ns：A=0，B=0，C=1，EN=1；最小项函数A’B’C，输出00001000，正确；

390-420ns：A=1，B=0，C=1，EN=1；最小项函数AB’C，输出00000100，正确；

420-350ns：A=0，B=1，C=1，EN=1；最小项函数A’BC，输出00000010，正确；

450-480ns：A=1，B=1，C=1，EN=1；最小项函数ABC，输出00000001，正确；

时序仿真波形图

结果分析及结论

0-240ns：EN=0；使能开关关闭，输出为00000000，正确；

（240-480ns：EN=1，使能开关开启）

240-250ns：A=0，B=0，C=0，EN=1；最小项函数A’B’C’，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，显示的是EN=0的情况；

250-270ns：A=0，B=0，C=0，EN=1；最小项函数A’B’C’，输出10000000，正确；

270-280ns：A=1，B=0，C=0，EN=1；最小项函数AB’C’，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出10000000；

280-300ns：A=1，B=0，C=0，EN=1；最小项函数AB’C’，输出01000000，正确；

300-310ns：A=0，B=1，C=0，EN=1；最小项函数A’BC’ ，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出01000000；

310-330ns：A=0，B=1，C=0，EN=1；最小项函数A’BC’，输出001000000，正确；

330-3400ns：A=1，B=1，C=0，EN=1；最小项函数ABC’ ，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出00100000；

340-360ns：A=1，B=1，C=0，EN=1；最小项函数ABC’，输出00010000，正确；

360-370ns：A=0，B=0，C=1，EN=1；最小项函数A’B’C，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出00010000；

370-390ns：A=0，B=0，C=1，EN=1；最小项函数A’B’C，输出00001000，正确；

390-400ns：A=1，B=0，C=1，EN=1；最小项函数AB’C，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出00001000；

400-420ns：A=1，B=0，C=1，EN=1；最小项函数AB’C，输出00000100，正确；

420-430ns：A=0，B=1，C=1，EN=1；最小项函数A’BC，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出00000100；

430-350ns：A=0，B=1，C=1，EN=1；最小项函数A’BC，输出00000010，正确；

450-460ns：A=1，B=1，C=1，EN=1；最小项函数ABC，但由于有时间延迟，反应慢了约10ns，仍输出00000010；

460-480ns：A=1，B=1，C=1，EN=1；最小项函数ABC，输出00000001，正确；

3.时序分析

时序分析图

结果分析及结论

C引脚到D[5]引脚的实际p2p时间为12.185ns ,是所有引脚间tpd最长的，A引脚到D[6]引脚的实际p2p时间为10.813ns，时延最短。

（三）模型机指令译码器的实现

1.编译过程

源代码如图

编译、调试过程编译报告，资源消耗如下：

警告信息共一条，与前一个项目的警告类型相似：

RTL视图

结果分析及结论

程序正常通过编译，我采用数据流方式进行设计，利用与非运算判断寄存器类型R1、R2，利用与运算对应各个操作指令。

4. 波形仿真

波形仿真过程：

插入IR,EN,MOVA,MOVB,MOVC,ADD,SUB,OR1,NOT1,RSR,RSL,

JMP,JZ,JC,IN0,OUT0,NOP,HALT十八个节点（IR,EN为输入节点，其余为输出节点），设置输入波形，点击为EN设置时钟信号period=500；offset=0，设置IR为计数器，从00000000起8位2进制循环计数，保存并进行对应仿真。

功能仿真波形图与分析

限于篇幅，选取几个输出指令进行说明：

!0-250ns，使能开关处于低电平0，所有指令输出均为0，正确;

当IR输入为1111 0000、1111 0001、1111 0010、1111 0100、1111 0101、1111 010、1111 1000、1111 1001时，MOVA输出为1，正确；当IR输入为1111 1010时，MOVA理应输出1，但是此时使能开关为0，故输出0，正确。

当IR输入指令为1001 0000、 1001 0001、 10010010、 10010100、 1001 0101时，ADD输出为1，正确；当IR输入为1001 0110时，ADD理应输出1，但是此时使能开关为0，故输出0，正确。

!当IR输入指令为1011 0000、 1011 0001、 10110010、 10110100、 1011 0101、1011 1000、1011 1001、1011 1010时，OR输出为1，正确；当IR输入为1011 0011、1011 0111时，不符合低两位编码为R2，OR输出0，正确。

时序仿真波形图及分析

限于篇幅，选取几个输出指令进行说明：

对于2.40us处 IR输入变为1111 0000，MOVA理应输出1，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态0，在约16ns后的大致2.416us处才输出1。

同样，在2.43us处IR输入变为1111 0011，MOVA理应输出0，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态1，在约12ns后的大致2.442us处才输出0。

同时我们看到，按照时间延时回推，在2.48us处IR由1111 0111转为1111 1000后MOVB、MOVA先后发生了一次冒险。

对于2.43us处IR输入变为1111 0011，MOVC理应输出1，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态0，在约10ns后的2.44us处才输出1。

同样的，对于2.44us处IR输入变为1111 0100，MOVC理应输出0，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态1，在约10ns后的2.45us处才输出0。

对于320ns处IR输入变为0010 0000，IN0理应输出1，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态0，在约14ns后的334us处才输出1。

同样的，对于440ns处IR输入变为0010 1100，IN0理应输出0，但是由于时间延迟，输出仍然是之前的状态1，在约13ns后的453ns处才输出0。

我们看到，据时间延迟回推，大致在400ns处IR输入由0010 0111变为0010 1000时IN0发生了一次冒险。

3.时序分析

时序分析图

结果分析及结论

IR[4]引脚到MOVA引脚的实际p2p时间为16.734ns ,是所有引脚间tpd最长的;IR[0]引脚到JC引脚的实际p2p时间为8.290ns，时延最短。

五、实验结论

通过此次试验，我对QuartusII软件的基本操作有所熟悉，并对异或门、3-8译码器和模型机指令译码器的设计原理有了更加全面和细致的了解，在波形仿真过程中，我尝试使用多种仿真模型，学习并运用了各个波形变化的分析方法，提高了对数字电路与逻辑设计的整体理解，在后期试验中可以尝试使用更多不同的方法设计电路，并比较差异和不同，对时序分析的时延差异原理也应当进行更加具体的分析。

六、思考题

1. 在日常在活中，我们哪些场所会用到译码器？

生活中显示时间数字的七段数码显示器、警报信号的控制电路就会大量使用到译码器。

2. 总结VHDL 语言描述译码器电路的方法和常用语句。

首先要加上基本库和文件包等，实体的信息根据具体实现的译码器不同而调整，结构体部分要对每一种输入输出之间的数据关系进行判断，利用运算符描述输出数据的来路，输入数据的流动方向，在我的数据流描述的写法中，多使用到and和not，即与运算和取反运算。