VerilogHDL硬件描述语言实验报告.docx
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VerilogHDL硬件描述语言实验报告
VerilogHDL实验报告
学院：
应用科学学院
班级：
电科13-2班
姓名：
学号：
实验一组合逻辑电路设计
（1）
实验目的
（1）熟悉FPGA设计流程；
（2）熟悉DE2开发板的基本元件使用（开关、发光二极管）；
（3）学习基本组合逻辑元件的VerilogHDL设计以及实现（数据选择器）；
（4）掌握连续赋值语句使用；
实验内容
本实验的目的是学习如何连接一个简单的外部输入、输出器件到FPGA芯片以及如何在FPGA器件上实现逻辑电路控制简单外部器件。
考虑使用DE2开发板上拨动开关SW17-0（toggleSwitch）作为电路的输入。
使用发光二极管（LightEmitt-ingDiodes，LEDs）和7段显示数码管（7-segmentDisplay）作为电路的输出。
第1部分连续赋值语句
步骤
1、新建QuartusII工程，选择CycloneIIEP2C35F672C6作为目标芯片，该芯片是DE2开发板上的FPGA芯片；
2、编写VerilogHDL代码加入到QuarutsII工程；
3、引脚分配，并编译工程该工程；
4、将编译好的电路下载到FPGA器件。
扳动拨动开关观察相应的发光二极管显示，验证电路功能是否正确；
代码
modulepart1（
inputwire[2:
0]SW,
outputwireLEDR
）;
wirer_g,s_g,qa,qb;
andu1（r_g,SW[0],SW[1]）;
andu2（s_g,SW[1],SW[2]）;
noru3（qa,r_g,qb）;
noru4（qb,qa,s_g）;
assignLEDR=qa;
endmodule
第2部分简单的数据选择器
步骤
1.新建QuartusII工程；
2.在工程中加入8位宽的2选1数据选择器VerilogHDL代码。
使用DE2开发板上的SW17作为输入s，开关SW7-0作为输入X，SW15-8作为输入Y。
连接拨动开关SW到红色的发光二极管LEDR，同时连接输出M到绿色的发光二极管LEDG7-0。
3.引脚分配，确保作为电路的输入端口的CycloneIIFPGA的引脚正确连接到拨动开关SW，作为电路输出的PPGA引脚正确与LEDR和LEDG连接；
4.编译；
5.将编译好的电路下载到FPGA器件。
通过扳动拨动开关SW改变电路输入，同时观察LEDR和LEDG的显示是否与之匹配，测试8位宽的2选1数据选择器的功能是否正确。
代码
设计文件
modulepart2（
input[17:
0]SW,
output[17:
0]LEDR,
output[7:
0]LEDG
）;
assignLEDR=SW;
mux_8bit_2to1NQ（SW[17],SW[15:
8],SW[7:
0],LEDG）;
endmodule
modulemux_2to1（
inputs,
inputx,y,
outputm
）;
assignm=（s&y）|（~s&x）;
endmodule
modulemux_8bit_2to1（
inputS,
input[7:
0]X,Y,
output[7:
0]M
）;
mux_2to1m7（S,X[7],Y[7],M[7]）;
mux_2to1m6（S,X[6],Y[6],M[6]）;
mux_2to1m5（S,X[5],Y[5],M[5]）;
mux_2to1m4（S,X[4],Y[4],M[4]）;
mux_2to1m3（S,X[3],Y[3],M[3]）;
mux_2to1m2（S,X[2],Y[2],M[2]）;
mux_2to1m1（S,X[1],Y[1],M[1]）;
mux_2to1m0（S,X[0],Y[0],M[0]）;
endmodule
测试台文件
`timescale1ns/100ps
modulemux2to1_test;
regx,y;
regs;
wirem;
mux2to1M（s,x,y,m）;
initial
begin
x=1;y=0;
s=0;
#10s=0;
#10s=1;
#10$stop;
end
endmodule
波形
实验二组合逻辑电路设计
（2）数码和显示
实验目的
（1）采用always块设计组合逻辑电路；
（2）熟悉二进制-十进制译码器和BCD码加法器等组合逻辑电路。
实验内容
（1）组合逻辑7段显示译码器
（2）二进制-BCD转换电路
（3）组合逻辑4位全加器
（4）BCD码加法电路
第1部分组合逻辑7段显示译码器步骤
步骤
1、1、新建QuartusII工程，在DE2开发板实现该电路。
本试验的目的是用手动方式设计7段显示译码电路。
要求只能使用连续赋值语句，将输出定义为关于输入的逻辑表达式。
2、编写电路的VerilogHDL源文件，并将其包含到Quartus工程。
将FPGA引脚连接到相应的拨动开关和7段显示数码管。
（参考UserManualfortheDE2board）。
引脚分配过程也可以参考QuartusIIIntroductionusingVerilogDesign，该文件可以在Altera公司网站大学计划网站的DE2SystemCD上找到。
3、编译，并且将编译好的电路下载到FPGA中；
4、扳动拨动开关改变电路输入，观察数码管显示并分析电路功能是否正确；
代码
modulepart1（
input[17:
0]SW,
output[17:
0]LEDR,
output[6:
0]HEX0,HEX1,HEX2,HEX3
）;
assignLEDR=SW;
decoder4_7decoder4_7_01（SW[0+:
4],HEX0）;
decoder4_7decoder4_7_02（SW[4+:
4],HEX1）;
decoder4_7decoder4_7_03（SW[8+:
4],HEX2）;
decoder4_7decoder4_7_04（SW[12+:
4],HEX3）;
endmodule
moduledecoder4_7（
input[3:
0]a,
output[6:
0]HEX
）;
assignHEX[6]=~a[3]&~a[2]&~a[1]|a[2]&a[1]&a[0];
assignHEX[5]=~a[3]&~a[2]&a[0]|~a[2]&a[1]|a[1]&a[0];
assignHEX[4]=a[0]|a[2]&~a[1];
assignHEX[3]=~a[3]&~a[2]&~a[1]&a[0]|
a[2]&~a[1]&~a[0]|
a[2]&a[1]&a[0];
assignHEX[2]=~a[2]&a[1]&~a[0];
assignHEX[1]=a[2]&~a[1]&a[0]|a[2]&a[1]&~a[0];
assignHEX[0]=a[2]&~a[1]&~a[0]|~a[3]&~a[2]&~a[1]&a[0];
endmodule
第2部分二进制-BCD转换电路
步骤
1、新建QuartusII工程；
2、编译，功能仿真；验证比较器、数据选择器和电路A的功能是否正确；
3、编写电路B和7段显示译码电路的VerilogHDL代码。
使用DE2开发板上开关SW3-0代表输入V，使用HEX1和HEX0显示数字d1和d0。
确保引脚分配正确；
4、编译，下载编译好电路到FPGA芯片中；
5、拨动拨动开关SW3-0改变收入值V，观察输出显示以测试电路的正确性；
代码
//niqi1307010213
//toplevelw
modulepart2（
input[3:
0]SW,
output[3:
0]LEDR,
output[6:
0]HEX0,HEX1
）;
wire[2:
0]a;
wirez;
wire[3:
0]m;
wire[6:
0]b,HEX;
assignLEDR=SW;
compartorcompartor_1（SW,z）;
circuit_AA（SW[2:
0],a）;
mux_4bit_2to1M（z,SW,{1'b0,a},m）;
circuit_BB（z,HEX1）;
decoder4_7dec（m,HEX0）;
endmodule
//7-segmentdecoder
moduledecoder4_7（
input[3:
0]a,
output[6:
0]HEX
）;
assignHEX[6]=~a[3]&~a[2]&~a[1]|a[2]&a[1]&a[0];
assignHEX[5]=~a[3]&~a[2]&a[0]|~a[2]&a[1]|a[1]&a[0];
assignHEX[4]=a[0]|a[2]&~a[1];
assignHEX[3]=~a[3]&~a[2]&~a[1]&a[0]|
a[2]&~a[1]&~a[0]|
a[2]&a[1]&a[0];
assignHEX[2]=~a[2]&a[1]&~a[0];
assignHEX[1]=a[2]&~a[1]&a[0]|a[2]&a[1]&~a[0];
assignHEX[0]=a[2]&~a[1]&~a[0]|~a[3]&~a[2]&~a[1]&a[0];
endmodule
//circuit_A
modulecircuit_A（
input[2:
0]v,
output[2:
0]a
）;
assigna=v+3'o6;
endmodule
//circuit_B
modulecircuit_B（
inputb,
output[6:
0]HEX
）;
assignHEX=b?
7'b111_1001:
7'b111_1111;
endmodule
//4-bit2-to-1multiplexer
modulemux_4bit_2to1（
inputs,
input[3:
0]x1,x2,
output[3:
0]f
）;
assignf=s?
x2:
x1;
endmodule
//Comparator
modulecompartor（
input[3:
0]v,
outputz
）;
assignz=（v>4'h9）?
1'B1:
1'B0;
endmodule
实验三锁存器、触发器和寄存器
实验目的
（1）掌握锁存器、触发器和寄存器的门级描述以及行为级描述；
（2）掌握组合逻辑电路和基本存元件描述方式不同；
（3）学习QuartusII功能仿真和时序仿真方法；
（4）学习QuartusII的RTLViewer和TechnologyViewer工具的使用；
实验内容
1.门控RS触发器的设计
2.D锁存器的设计
3.D触发器的设计
第1部分门控RS触发器
步骤
1.新建QuartusII工程，选择目标器件为CycloneIIEP2C35F672C6。
2.按照例3-1或者例3-2新建VerilogHDL文件，然后将该文件包含到工程中。
注意：
两个版本的VerilogHDL代码产生的电路结构是相同的。
3.编译。
使用QuartusII软件的RTLViewer工具观察两种描述方式产生的电路结构，使用TechnologyViewer工具验证QuartusII软件实现的电路结构是否与图3-3（b）一致。
提示：
点击Tools->NetlistViewer->RTLViewer可以打开RTLViewer工具；
4.新建VectorWaveformFile（.vwf）文件，在vwf文件包含电路的输入和输出，在QuarutsII软件中画出电路输入R和S的波形，使用QuartusII仿真器仿真该电路。
验证电路的功能和时序是否正确。
提示：
点击File->New，在弹出的对话框中选择VectorWaveformFile新建波形文件。
仿真过程参考QuartusII简明教程。
代码
//RSflipflop
modulepart1
（
inputclk,R,S,
outputQ
）;
wirer_g,s_g,qa,qb/*synthesiskeep*/;
assignr_g=R&clk;
assigns_g=S&clk;
assignqa=~（r_g&qb）;
assignqb=~（s_g&qa）;
assignQ=qa;
endmodule
综合结果（quartusII13.0）
第2部分D锁存器
步骤
1.新建QuartusII工程。
按照例3-2的代码风格设计图3-3所示的D锁存器的VerilogHDL代码。
使用/*synthesiskeep*/综合指令，以确保使用独立的逻辑单元实现信号R，S_g，R_g，Qa和Qb。
2.选择CycloneIIEP2C35F672C6作为目标芯片，编译该工程。
使用TechnologyVeiwer工具观察电路结构。
3.在QuarutusII中执行功能仿真，验证电路功能是否正确，执行时序仿真验证D锁存器的时序是否正确；
4.新建QuartusII工程，在DE2开发板上实现D锁存器电路。
在该工程的顶层文件中需要为D锁存器电路设计合适的输入和输出端口，在工程的顶层模块中实例D锁存器模块。
使用SW0代表D锁存器的数据输入D，SW1代表D锁存器的时钟输入Clk，D锁存器的输出Q到LEDR0。
5.重新编译，下载电路到DE2开发板；
6.改变拨动开关SW的状态，观察D锁存器的输出，测试电路功能是否正确；
代码
moduletop_level（SW,LEDR0）;
input[1:
0]SW;//clk&d
outputLEDR0;//q
gated_d_latch（LEDR0,SW[0],SW[1]）;
endmodule
//part2.vgatedd_latch
modulegated_d_latch（q,d,clk）;
inputd,clk;
outputq;
wirer,s_g,r_g,qa,qb/*synthesiskeep*/;
nand（s_g,d,clk）;
nand（r_g,r,clk）;
not（r,d）;
nand（qa,s_g,qb）;
nand（qb,r_g,qa）;
assignq=qa;
endmodule
实验四计数器设计
（一）
实验目的
（1）学习计数器的基本原理以及VerilogHDL实现方法；
（2）学习查看QuartusII编译报告（查看电路的最高工作频率）；
（3）时序电路时序分析的基本方法
（4）掌握参数化模块库的使用；
实验内容
（1）4位同步计数器设计
（2）行为级描述电路设计
（3）使用LPM设计计数器
第1部分4位同步计数器
步骤
1.使用VerilogHDL设计16位同步计数器。
要求：
首先设计1个T触发器，通过实例化16个T触发器实现该16位同步计数器。
编译，观察该实现需要多少个基本逻辑单元（LogicElements,LEs），电路的最高工作频率Fmax是多少？
2.功能仿真，验证电路功能是否正确。
3.使用KEY0作为clock输入，开关SW1和SW2分别作为enable和reset输入，7段显示数码管HEX3-HEX0用来显示十进制计数值。
按照DE2开发板上的电路做好正确的引脚分配，重新编译。
4.下载编译好的电路到FPGA器件，扳动拨动开关改变电路输入，测试电路功能。
使用QuartusII软件RTLViewer工具观察QuartusII软件是如何综合电路的？
并比较QuartusII软件综合的电路与图1的差别。
按照同样的方式设计1个4位同步计数器，
代码
modulepart
（
input[1:
0]KEY,
output[3:
0]LEDR,
output[1:
0]LEDG,
output[6:
0]HEX0
）;
wire[3:
0]q;
assignLEDR=q;
assignLEDG=KEY;
counter_4u1（~KEY[0],~KEY[1],1'b1,q）;
decoder4_7H0（q[3:
0],HEX0）;
endmodule
modulecounter_4
（
inputclk,reset,en,
output[3:
0]q
）;
wire[3:
0]qq,tt;
assignq=qq;
assigntt[0]=en;
assigntt[1]=en&qq[0];
assigntt[2]=tt[1]&qq[1];
assigntt[3]=tt[2]&qq[2];
T_FFu1（clk,reset,1'b1,tt[0],qq[0]）;
T_FFu2（clk,reset,1'b1,tt[1],qq[1]）;
T_FFu3（clk,reset,1'b1,tt[2],qq[2]）;
T_FFu4（clk,reset,1'b1,tt[3],qq[3]）;
endmodule
moduledecoder4_7
（
input[3:
0]a,
outputreg[6:
0]f
）;
always@*
case（a）
4'h0:
f=7'hC0;
4'h1:
f=7'hF9;
4'h2:
f=7'hA4;
4'h3:
f=7'hB0;
4'h4:
f=7'h99;
4'h5:
f=7'h92;
4'h6:
f=7'h82;
4'h7:
f=7'hF8;
4'h8:
f=7'h80;
4'h9:
f=7'h90;
4'hA:
f=7'h88;
4'hB:
f=7'h83;
4'hC:
f=7'hC6;
4'hD:
f=7'hA1;
4'hE:
f=7'h86;
4'hF:
f=7'h8E;
defaultf=7'hff;
endcase
endmodule
moduleT_FF
（
inputclk,reset,en,t,
outputregq
）;
always@（posedgeclk,posedgereset）
if（reset）
q<=1'b0;
elseif（en）
q<=t?
~q:
q;
endmodule
实验7有限状态机
第8部分二进制BCD码转换电路
设计文件
//2015/10/21
modulebin2bcd
（
inputclk,reset,
inputstart,
input[12:
0]bin,
outputready,done_tick,
output[3:
0]bcd3,bcd2,bcd1,bcd0
）;
//finitestatedeclaration
localparam
IDLE=2'b00,
OP=2'b01,
DONE=2'b10;
//signaldeclaration
reg[1:
0]state_reg,state_next;
reg[3:
0]n_reg,n_next;//counter
reg[3:
0]bcd0_reg,bcd0_next;
reg[3:
0]bcd1_reg,bcd1_next;
reg[3:
0]bcd2_reg,bcd2_next;
reg[3:
0]bcd3_reg,bcd3_next;
wire[3:
0]bcd3_temp,bcd2_temp,bcd1_temp,bcd0_temp;
reg[12:
0]p2s_reg,p2s_next;
//statemachine
//stateregister
always@（posedgeclk,posedgereset）
if（reset）
state_reg<=IDLE;
else
state_reg<=state_next;
//nextlogic
//always@（state_reg,start,n_next）
always@*
begin
state_next=state_reg;//在此做过改动
case（state_reg）
IDLE:
begin
if（start）
state_next=OP;
else
state_next=IDLE;
end
OP:
begin
if（n_next==0）
state_next=DONE;
else
state_next=OP;
end
DONE:
state_next=IDLE;
default:
state_next=IDLE;
endcase
end
//mooreoutputlogic
assigndone_tick=（state_reg==DONE）?
1'b1:
1'b0;
assignready=（state_reg==IDLE）?
1'b1:
1'b0;
//datapass
//dataregister
always@（posedgeclk,posedgereset）
begin
if（reset）
begin
bcd0_reg<=3'b0;
bcd1_reg<=3'b0;
bcd2_reg<=3'b0;
bcd3_reg<=3'b0;
p2s_reg<=0;
n_reg<=0;
end
else
begin
bcd0_reg<=bcd0_next;
bcd1_reg<=bcd1_next;
bcd2_reg<=bcd2_next;
bcd3_reg<=bcd3_next;
p2s_reg<=p2s_next;
n_reg<=n_next;
end
end
//datapassnext-statelogic
always@*
begin
bcd0_next=bcd0_reg;
bcd1_n
升级会员 