EDA课程设计教程.docx

1、EDA课程设计教程前 言“数字逻辑”是我院计算机科学与技术专业及自动化专业最重要的专业基础课之一。随着电子技术的高速发展，数字技术也可谓是一日千里。尤其是九十年代迅速发展起来的在系统可编程技术ISP，更使数字系统的设计方法发生本质性、革命性变化。为了适应数字技术的飞速发展，培养出在二十一世纪具有竞争力的计算机及自动化的高等人才，采用可编程技术及可编程器件进行数字电路及系统的设计势在必行。为此，我院“数字逻辑”实验设备更新为具有当前国内先进水平的EDA实验开发系统。EDA(Electronic Design Automation)即指电子设计自动化。EDA实验开发系统是一种多功能、高配置、高品质

2、的EDA教学与开发设备。该系统由于采用可编程CPLD器件及独特的设计技术，从而使学生的实验从传统的硬件连接方式进入到软件设计、仿真调试系统的实验方式，并使传统的硬件设计方式用EDA技术实现。这与用连线搭接电路的实验方式相比，不仅故障率大大降低，而且节省了时间、提高了实验效率。同时，也使学生获得的知识紧跟国际数字技术的先进水平。EDA实验教程是为适应数字逻辑课程的教学改革而编写的。考虑到现代教育不仅使学生通过实验能够掌握所学理论知识，而且有利于激发和培养学生的创新意识和创造能力，该教程结合实验室已更新的EDA实验开发系统，为学生提供了一些以设计性和综合性实验为主的、具有任意可选性的基础实验课题；

3、同时也为数字逻辑课程设计提供了一些即具有实用价值、趣味性又较强的数字系统设计项目。该教程适用于“数字逻辑”课程教学实验和课程设计。因时间短促，还存在很多不足及错误，敬请各位老师及同学指正。“数字逻辑”课程组 2008年10月前言第一章 MAX+PLUS 基本操作31.1 设计环境与设计方法 31.1.1 系统配置与安装 31.1.2 MAX+PLUS操作环境51.1.3 MAX+PLUS的设计方法61.2 设计输入81.2.1 建立图形设计文件81.2.2 建立文本设计文件（VHDL）141.2.3 VHDL语言和原理图混合输入方式161.3 设计项目的编译161.4 设计校验231.4.1

4、仿真231.4.2 定时分析 261.5 器件编程28第二章 数字逻辑基础实验 302.1 交通控制灯监视电路 302.2 五人表决器 30 2.3 逻辑运算电路 312.4 3：8线译码器 312.5 逻辑函数发生器 322.6 4位二进制数BCD码变换器 322.7 格雷码变换器 332.8 BCD码加法器332.9 四位并行乘法器 332.10 BCD七段数字显示译码器342.11 基本触发器352.12 同步十进制计数器352.13 动态扫描数码显示器362.14 双向移位寄存器372.15 环形计数器与扭环计数器372.16 二十四进制计数器38第三章 数字系统综合设计403.1 多

5、功能数字电子钟 403.2 数字密码锁电路423.3 8位数字频率计423.4 等精度数字频率计443.5 快速加法器 463.6 移位乘法器463.7 篮球30秒定时控制电路483.8 交通灯控制电路483.9 序列检测器493.10 出租车计费器503.11 智力竞赛抢答器513.12 模拟乒乓球游戏机52附表 SE-5M（EPF10K10）引脚对应表54第一章 MAX+PLUS 基本操作本章介绍Altera公司的CPLD的开发工具软件MAX+PLUS。MAX+PLUS提供了与结构无关的设计环境，确保了易于输入设计、快速编译及完成器件编程。使用MAXPLUS软件，设计者无需精通器件内部的复

6、杂结构，只需用自己熟悉的设计工具，如高级行为语言、原理图或波形图进行设计输入，然后由MAXPLUS将这些设计转换成目标结构所要求的格式。由于有关的结构模型已装入开发工具，使得设计者不需要手工优化自己的设计，从而简化了设计过程。MAX+PLUS提供了丰富的逻辑功能库（包括74系列逻辑器件等效宏功能库、特殊宏功能库（Macro Function）、模块库以及参数化的兆功能（Mage Function）模块库），供设计者使用。MAX+PLUS还具有开放核的特点，允许设计人员添加自己的宏功能模块。充分利用这些逻辑功能模块，可大大减轻设计工作量。1.1 设计环境与设计方法1.1.1 系统配置与安装1MA

7、X+PLUS软件推荐的PC系统配置为：（1）233MHz的PC机。（2）256MB以上有效内存，不低于128MB的物理内存。（3）460MB以上硬盘空间。（4）Windows95、Windows98、WindowsNT4.0操作系统。2版本MAX+PLUS软件按使用平台可分为PC机版和工作站版，按使用对象可分为商业版、基本版和学生版。 商业版：支持全部输入方式和版本发行时的除APEX系列之外的所有Altera CPLD器件。商业版运行时需要一个授权码和一个附加的并口硬件狗。 基本版(BaseLine)：在商业版上作了一些限制。如，不支持VHDL，不能进行功能仿真和时序仿真，不支持某些器件等。基

8、本版不需要并口硬件狗，只需向Altera申请一个基本版授权码即可使用。 学生版(E+MAX)：支持商业版的全部功能，但可使用的逻辑功能模块受到限制，且只支持几种器件。若要安装学生版，应向Altera公司大学项目部申请学生版授权码。 3安装 MAX+PLUS几种版本的安装方法基本相同，这里仅介绍基于PC机的Windows 98平台的MAX+PLUS9.23的安装过程。（1）从CD-ROM中的baseline目录下运行setup.exe，出现图1.1安装封面，安装程序做安装准备，之后出现图1.2；（2）在图1.2中单击“Next”出现另一窗口，继续按“Next”出现图1.3，单击“Yes”接受此协

9、议，该协议提示并告知你需要一个License文件来运行程序。单击“Next”出现图1.4；图1.2 图1.1图1.3图1.4 （3）在图1.4中输入用户名等，单击“Next” 出现图1.5；（4）在图1.5中使用默认选择，即安装所有组件。按“Next”，出现图1.6；图1.6图1.5 （5）图1.6为选择“MAX+PLUS Turorial”部件进行安装。该部件包含许多设计的源代码图，如一些VHDL、Verilog HDL的例子。可将其安装在“C:max2work”目录下。按“Browse”改变目录名后，单击“OK”，“Next”后可出现图1.7；（6）在图1.7中单击“Next”即开始安装，

10、直至安装完毕。图1.8图1.7 第一次运行MAX+PLUS9.23前应作以下工作： 将X:maxplus2crackbaselinecrkblast.exe (X为光区盘符) 拷贝到所安装的C:maxplus2目录下，再运行所安装的C:maxplus2crkblast.exe文件。(注意：应确保在MAX+PLUS9.23 baseline 没有被运行前运行该文件。运行该文件时将出现DOS界面，提示按任意键解密。) 从“开始”菜单中运行“MAX+PLUS9.23 baseline”，在出现 MAX+PLUS9.23界面时出现“License Agreement”窗口，顺序阅读完全部文档，界面下面

11、的“Yes”按钮被激活，表示Altera公司已同意你使用该软件，按下该按钮。（图1.8所示）在MAX+PLUS9.23主界面菜单选择“Option”“License Setup”“Browse”，选择“C:maxplus2”“ALTERADAT”为授权文件，“OK”后退出“maxplus2”，然后再次运行“maxplus2”。初次运行MAX+PLUS9.23 baseline时会出现 Hardware Setup界面，在Hardware Type中选择 Byteblaster。至此，MAX+PLUS9.23 baseline正常运行后即告安装成功。1.1.2 MAX+PLUS操作环境1MAX+

12、PLUS的组成MAX+PLUS由设计输入、项目处理、项目校验和器件编程组成，如图1.9所示，所有这些部分都集成在一个可视化的操作环境下。2MAX+PLUS管理窗口MAX+PLUS管理窗口包括项目路径、工作文件标题条、MAX+PLUS菜单条、快捷工具条和工作区等几部分。启动MAX+PLUS即进入MAX+PLUS管理器窗口，如图1.10所示。3MAX+PLUS在线帮助MAX+PLUS提供了强大的在线帮助功能。通过使用在线帮助，用户可以获得设计中所需要的最新的全部信息。设计输入MAX+PLUS文本编辑器MAX+PLUS图形编辑器MAX+PLUS符号编辑器MAX+PLUS波形编辑器项目编译编译器网表提

13、取器数 据 库建 库 器逻 辑综 合 器适 配 器项目校验MAX+PLUS仿真器MAX+PLUS时间分析器器件编程MAX+PLUS编 程 器MAX+PLUS信息处理器及层次显示图1.9 MAX+PLUS组成图1.10 MAX+PLUS管理器菜单项目名快捷方式钮工作区1.1.3 MAX+PLUS的设计方法使用MAX+PLUS的设计过程如图1.11所示。若任一步出错或未达到设计要求，则应修正设计，重复各步。设计输入编译项目仿真与定时分析编程测试修改设计完 成图1.11 MAX+PLUS设计流程1)输入设计项目MAX+PLUS符号编辑器MAX+PLUS波形编辑器MAX+PLUS图形编辑器MAX+PL

14、US文本编辑器MAX+PLUS第三方EDA工具用户.gdf.wdf.sym.tdf.vhd.inc.sch.edf.xnf.lmff设计文件设计文件逻辑设计的输入方法有图形输入、文本输入、波形输入及第三方EDA工具生成的设计网表文件输入等。输入方法不同，生成的设计文件也不同，如图1.12所示。图1.12 MAX+PLUS的设计输入方法 2)编译设计项目首先，根据设计项目要求设定编译参数和编译策略，如选定器件、锁定管脚、设置逻辑综合方式等等。然后，根据设定的编译参数和编译策略对设计项目进行网表提取、逻辑综合、器件适配，并产生报告文件、延时信息文件和器件编程文件，供分析、仿真及编程用，如图1.13

15、所示。网表提取器仿真/定时SNF提取器EDIF，VHDL及Verilog网表写入器数据库建库器划分器设计诊断器逻辑综合器适配器汇编器.gdf.tdf.vhd.schf.edf.xnf.sdo.edo.vo.vho.snf.rpt.pof, .sof, jedMAX+PLUS编译器设计文件仿真/定时文件报告文件编程文件第三方EDA文件图1.13 MAX+PLUS的编译方法 3)校验设计项目 项目校验方法包括功能仿真、模拟仿真和定时分析。 功能仿真是在不考虑器件延时的理想情况下仿真设计项目的一种项目验证方法，称为前仿真。通过功能仿真可以用来验证一个项目的逻辑功能是否正确。 模拟仿真(时序仿真)是在

16、考虑设计项目具体适配器件的各种延时的情况下仿真设计项目的一种项目验证方法，称为后仿真。时序仿真不仅测试逻辑功能，还测试目标器件最差情况下的时间关系。通过时序仿真，在把项目编程到器件之前全面检测项目，以确保在各种可能的条件下都有正确的响应。MAX+PLUS的仿真过程如图1.14所示。 定时分析用来分析器件引脚及内部结点间的传输路径延时、时序逻辑的性能(如最高工作频率、最小时钟周期等)以及器件内部各种寄存器的建立保持时间，如图1.15所示。 4)编程验证设计项目用MAX+PLUS编程器通过Altera编程硬件或其它工业标准编程器将经过仿真确认后的编程目标文件配置到所选定的Altera CPLD器件

17、中，然后加入实际激励信号进行测试，检查是否达到设计要求。MAX+PLUS仿真器MAX+PLUS波形编辑器MAX+PLUS编译器MAX+PLUS波形编辑器MAX+PLUS文本编辑器.snf.scf.scf.vec图1.14 MAX+PLUS的仿真过程MAX+PLUS编译器建立/保持矩阵MAX+PLUS平面编辑器MAX+PLUS图形编辑器MAX+PLUS文本编辑器.snf延时矩阵时序性能MAX-PLUS定时分析器图1.15 MAX+PLUS的定时分析过程1.2 设计输入.1.2.1 建立图形设计文件1指定设计项目的名字 1) 指定设计项目的名字 MAX+PLUS编译器的工作对象是项目，所以在进行一

18、个逻辑设计时，首先要指定该设计的项目名称，并且要保证一个设计项目中所有文件均出现在该项目的层次结构中。对于每个新的项目，应该建立一个独立的子目录。如果这个子目录不存在，MAX+PLUS将自动创建。初学者切记：每个设计必须有一个项目名，并且要保证项目名与设计文件名一致。 选中菜单项FileProjectName 或点击快捷钮，出现图1.16所示对话框。 在Directories栏中，选中max2worktime作为当前目录，然后在Project Name对话框中键入con12。 如果Directories栏中只有max2work目录，请在Project Name项中键入timecon12（即建立

19、自己的文件夹time）。 选择OK，则MAX+PLUS标题条会变成显示新的项目名字：MAX+PLUSManager-d:max2worktimecon12。 2) 建立一个新的图形文件 选择菜单项FileNew，或点击快捷钮，出现图1.17所示New对话框。 在New对话框中选择Graphic Editor File(图形编辑器文件)，并在图形文件格式下拉列表框中选择扩展名.gdf。 图1.16 指定项目名对话框图1.17 New对话框 选择OK，出现无名称的图形编辑窗口，如图1.18所示。可以通过点击图形编辑器标题条中的缩放钮将图形编辑器窗口放至最大。 选择菜单FileSave或点击 快捷钮

20、，出现Save As对话窗口，选择OK，即将con12.gdf文件保存到当前项目子目录下。图形编辑器窗口快捷方式钮图形编辑工具图1.18 图形编辑器窗口3) 输入图元和宏功能符号 MAX+PLUS提供了丰富的图元和宏功能符号(Primitive & Macrofunction)库，它们分类放在Max2workmaxlib子目录下。 Prim：Altera的图元(基本逻辑块)。 mf：7400系列逻辑等效宏库。 mega-lpm：参数化模块库。包含兆功能模块(如busmux、csfifo等)、兆核功能模块(如UARTs、FFT、FIR、PCI等)。 edif：edif接口库。 在图形设计文件中输

21、入图元和宏功能符号的步骤如下： 在图形编辑器窗口(作图工具按钮有效时)空白处双击鼠标左键（或者单击右键，在出现的菜单中选择Enter Symbol），出现图1.19所示Enter Symbol 对话框； 双击Symbol Libraries窗口中的mf，在Symbol File(符号列表)框内选中74161,或者直接在Symbol Name框中直接输入74161后，选择OK，74161符号在输入点附近显示出来。74161宏功能块是一个四位十进制同步计数器。图1.19 Enter Symbol对话框 重复步骤至，输入图中其它符号。也可以用复制的方法输入相同的符号，其操作方法与一般Windows图

22、形编辑器类似。 4) 建立和显示导引线(Guideline) 为了增加逻辑图的可读性，可将逻辑符号经由水平和垂直导引网格线定位。可以设定导引线线距和显示隐藏导引线： 选择菜单OptionsGuideline Spacing，显示出导引线线距对话框。 在X Spacing(水平)和Y Spacing(垂直)对话框中均键入10，选择OK。 选择菜单OptionsShow Guidelines，即显示导引线，如图1.20所示。图1.20 显示导引线、旋转符号示例 5) 移动逻辑符号 点击74161符号，即选定这个符号(符号颜色发生变化。例如变红)。 按住鼠标左键，拖动74161符号并将其左上角定位在

23、最近的导引线相交点上。符号的外形边界线随符号一起移动，这样就可以对此符号进行精确定位。 符号定位后，释放鼠标左键。 在nand3符号上，右击鼠标出现图1.20中所示下拉菜单。通过选择Rotate、Flip Horizontal 或Flip Vertical 项，可分别对nand3 符号进行旋转、水平镜像或垂直镜像操作。 按下鼠标左键并拖动到一定位置松开，即可选定一个矩形区域。可按照上述、步移动该选定区域。 在MAX+PLUS图形或符号编辑器中，应用上述方法可以移动各种所选择的符号或其它图形或文本块。 6) 输入Input(输入)和Output(输出)引脚 在符号74161的左边空白处点击鼠标右

24、键，在出现的菜单中选择Enter Symbol。（或者在空白处双击鼠标即可显示Enter Symbol对话框）。在符号名框(Symbol Name)中键入INPUT或者OUTPUT，选OK，即显示出INPU T或OUTPUT符号。 在INPUT或OUTPUT符号上同时按下Ctrl 键和鼠标左键，拖曳鼠标至该符号下方再放开，即复制出INPUT或OUTPUT符号。 7) 命名引脚 在一个图形文件中，每个图元及宏功能符号都有唯一的用数字表示的ID标识号。MAX+PLUS图形编辑器会按输入次序自动为图元及宏功能符号赋于ID号。 双击图1.20中左上方INPUT端口的默认引脚名“PIN_NAME”，或者

25、点击鼠标右键，在出现的菜单中选择Edit Pin Name。 键入en，则该INPUT端口更名为en。 将其余的INPUT和OUTPUT引脚名按图1.21更改。当编辑好一个引脚名后，如果按回车键，则会自动选中其下面的一个端口的引脚的名字供编辑。图1.21中的输入端口en、clear和clk分别为计数器使能、异步清除及时钟输出端口；q 3.0是输出总线的名字，代表计数器的四位总线输出。图1.21 命名引脚示例图 8) 连接逻辑符号 使用菜单命令OptionsRubberbanding 或使用做图工具钮和打开或关闭橡皮筋连接功能。如果使两个符号的引线端直接接触或通过引线相连，则这两个符号便在逻辑上

26、连接起来。在橡皮筋连接功能打开时，移动其中任一符号，则连接在该符号上的连线跟着移动，不改变同其他符号的连接关系；在橡皮筋连接功能关闭时，移动其中任一符号，则该符号被移走，不再维持和其它符号的连接关系。 移动逻辑符号到适当位置。 选择连线工具。点击正交线工具钮(或其它连线工具)，鼠标变为“十”形状，表示当前为连线模式。在各种情况下，将鼠标移到引脚、符号或连线的端口，鼠标也会变为“十”形状，允许画线。 选择连线类型。选择菜单命令OptionLine Style，出现连线类型列表。在下拉列表框中选择实线类型(MAX+PLUS默认选择实线类型)。 连线。将鼠标移向输入引脚en的引线端，一直按住鼠标左键

27、拖动到74161的ENT输入引线端，释放鼠标左键。 用正交线工具，可画直线或画带有一个拐折点的线。如果要画多个拐折连线，就需要在画完一条线之后，再画与这条线端点相连接的第二条线。只有当两条连线类型相同时，这两条线才会从逻辑上连接起来。 当一条连线端点落在另一条线上时，会自动产生连接结点。可以通过点击结点产生工具钮 ，将两条交叉线连接起来。 重复步骤至，画出其它连线如图1.22所示。 画总线。如图1.22所示，连接到q3.0输出的引线应是一条总线，所以要选择总线类型(Bus Line Style),即在Line Style中选择粗线可生成Bus。 9) 删除连线 点击待删除引线则选中鼠标所指处线段，双击待删除引