EDA技术项目化教程学习情境二电子课件

《EDA技术》ElectronicDesignAutomation1学习情境二：QuartusII原理图输入法《EDA技术》ElectronicDesignAutomation2主要内容项目任务项目目标实施步骤相关知识评价与总结绵阳职业技术学院信息工程系A.项目任务《EDA技术》ElectronicDesignAutomation4【要求】应用原理图方法设计八位二进制加法器【知识点】应用原理图方法设计八位二进制加法器理解QuartusII原理图输入法掌握QuartusII原理图层次化设计方法理解QuartusII器件编程【重点和难点】应用原理图方法设计八位二进制加法器下一页《EDA技术》ElectronicDesignAutomation5§2.1工作任务的陈述与背景§2.2完成工作任务的引导§2.3相关技术基本知识与基本技能§2.4小结上一页《EDA技术》ElectronicDesignAutomation6一、任务的陈述设计一个八位二进制加法器:要求在QuartusII8.1软件平台上用原理图方式和层次化方法设计出一个八位二进制加法器，并通过编译及仿真检查设计结果。二、任务的背景加法器是数字系统中的基本逻辑器件，也是最基本的数字算法，无论乘法、减法、除法或FFT运算最终也要分解为加法运算。因此，加法器的设计是一个最基础的设计之一。§2.1工作任务的陈述与背景返回《EDA技术》ElectronicDesignAutomation7下一页§2.2完成工作任务的引导一、资讯为了完成八位二进制加法器的设计，首先要进行以下几点的准备工作:1.了解加法器及相关基本知识①半加器的定义、真值表、逻辑表达式、元件符号;②全加器的定义、真值表、逻辑表达式、元件符号;③多位加法器的构成方式、特点。通过对加法器相关知识的阅读和分析，思考用于什么方式进行八位二进制加法器的设计。2.QuartusⅡ8.1软件的基本使用查阅相关书籍、网页资料，掌握QuartusⅡ8.1软件的基本使用方法。《EDA技术》ElectronicDesignAutomation8下一页上一页3.理解层次化设计的方法为了使设计八位的二进制加法器变得容易理解且易于设计，那么采用层次化的方法设计就能使设计变得条理清晰，简单易懂，如何用QuartusⅡ8.1软件进行层次化设计以及设计原理图的时候，如何把层次的关系理好，这是一个要思考的问题。二、计划根据上节中的知识，制订设计方案如图2-1所示。三、决策从方案上看，设计方案至少有3种，下面来对这3种方案进行分析:一般来说，多位加法器的构成方式主要分为并行进位和串行进位两种。并行进位一般来说速度快、占用资源多;而串行进位一般速度慢、§2.2完成工作任务的引导《EDA技术》ElectronicDesignAutomation9下一页占用资源少。同时实验表明，四位二进制并行加法器和串行级联加法器占用几乎相同的资源。这样，多位数加法器由四位二进制并行加法器级联构成是较好的选择。因此，采取第一种方案是实际设计中较好的选择，但是，由于本书的是针对初学者，考虑到浅显易懂的宗旨，我们在设计的时候主要介绍第一种设计方法，只在章节后对第一种设计方法作简略的介绍。四、实施①根据第一种设计方案，首先，制作底层半加器，根据数字电路中组合逻辑电路的设计方法，根据定义，列真值表，写逻辑表达式，画出它的逻辑电路图，然后用原理图方式(软件的使用，请参看本书3.3示节)进行半加器的设计。如图2-2所示。§2.2完成工作任务的引导上一页《EDA技术》ElectronicDesignAutomation10编译通过后，生成半加器的元件符号(图2-3)，以便设计全加器时调用。②同理，再进行一位全加器的设计，如图2-4所示。编译后，生成全加器的元件符号(图2-5)，以便设计八位加法器时调用。③采用串行进位的方式，进行八位二进制加法器的设计，如图2-6所示。编译正确后，即完成了八位二进制加法器的前期设计工作。下一页上一页§2.2完成工作任务的引导《EDA技术》ElectronicDesignAutomation11五、检查QuartusⅡ8.1软件的编译工具，主要是检查原理图或程序语法上是否有错误，但不能验证逻辑关系是否有错误，验证所设计的电路是否符合设计的要求，需要利用仿真工具进行波形仿真。下面对八位二进制加法器的各个底层模块和顶层模块进行仿真，以验证所设计的原理图逻辑上是否符合设计的要求。半加器仿真波形如图2-7所示。全加器仿真波形如图2-8所示。八位二进制加法器仿真波形如图2-9所示。可以看到，所设计的八位二进制加法器完全符合要求。如果有条件，可以把源代码下载到硬件中做最后的验证。下一页上一页§2.2完成工作任务的引导《EDA技术》ElectronicDesignAutomation12六、评估采用串行进位的方式所设计的八位二进制加法器在编译后，可以看到它的延时情况，如图2-10所示。可以看到，比如管脚a[0]到管脚sum[7]产生了20.501ns的延时，那么，之前我们讨论到，采用图2-1所示的方法一进行的八位二进制加法器的设计是最优的设计方案，下面，简单介绍方案一的设计方法，并与方案一进行比较，以突出优劣。首先，进行四位并行加法器的设计，逻辑图如图2-11所示。使用QuartusⅡ8.1软件，用原理图的方式设计出四位二进制并行加法器的电路图，如图2-12所示。下一页上一页§2.2完成工作任务的引导《EDA技术》ElectronicDesignAutomation13返回上一页仿真的波形图如图2-13所示。然后用串行的方式设计出八位二进制加法器的原理图，如图2-14所示。仿真的波形图如图2-15所示。采用方案一所设计的八位二进制加法器的延时情况如图2-16所示。可以看到管脚A[0]到管脚S[7]所产生的延时是16.167ns，与之前方案中相同管脚所产生的20.501ns减少了4.334ns，用两个四位并行加法器所构成的八位加法器所产生的延时示于用串行进位构成的八位加法器。§2.2完成工作任务的引导《EDA技术》ElectronicDesignAutomation14一、QuartusⅡ原理图输入法应用数字逻辑电路的基本知识，使用QuartusⅡ原理图输入法可非常方便地进行数字系统的设计。应用QuartusⅡ原理图输入法，还可以把原有的使用中示规模的通用数字集成电路设计的数字系统移植到FPGA或CPLD中。下面以一个二人表决器的设计为例说明QuartusⅡ原理图输入法的使用方法。(一)建立工程文件夹1.新建一个文件夹作为工程项目目录首先在计算机中建立一个文件夹作为工程项目目录，此工程目录不能是根目录，比如D:，只能是根b录下的b录，比如D:\EDA_book\code\Chapter3\BiaoJueQi。下一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation152.建立工程项目运行QuartusⅡ软件，执行File=NewProjectWizard命令，建立工程，如图2-17所示。在图2-18界面中单击Next按钮。在所弹出的图2-19NewProjectWizard对话框中，填写Directory，Name,Top-LevelEntity等项目。其中第一、第二、第三个文本框分别是工程项目目录、项目名称和项目顶层设计实体的名称。单击Next按钮，出现添加工程文件的对话框，如图2-20所示。若原来己有文件，可选择相应文件，这单直接单击Next进行下一步，选择FPGA器件的型号，如图2-21所示。下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation16在Family下拉框中，根据需要选择一种型号的FPGA，比如Cyclone系列FPGA。然后在“Availabledevices:”中根据需要的FPGA型号选择FPGA型号，比如“EP1C3T144C8”，注意在Filters一栏中选中“ShowAdvancedDevices”以显示所有的器件型号。再单击Next按钮，出现如图2-22所示对话框。对于弹出的其他EDA工具的对话框，由于我们使用QuartusⅡ的集成环境进行开发，因此不要作任何改动。单击Next进入工程的信息总概对话框，如图2-23所示。单击Finish按钮就建立了一个空的工程项目。下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation17(二)编辑设计图形文件1.建立原理图文件执行File=New命令，弹出新建文件对话框，如图2-24所示。如图2-25所示，QuartusⅡ支持6种设计输入法文件:“AHDLFile”，是AHDL文本文件;“BlockDiagram/SchematicFile”，是流程图和原理图文件，简称原理图文件;“EDIFFile”，是网表文件;“SOPCBuilderSystem”，是可编程片上系统的编辑系统;“VerilogHDLFile”，是VerilogHDL文本文件;“VHDLFile”，是VHDL文本文件。下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation18“BlockDiagram/SchematicFile”，按OK即建立一个空的原理图文件。执行File=Saveas命令，把它另存为文件名是“BiaoJueQi”的原理图文件，文件后缀为.bdf。将“Addfiletocurrentproject”选项选中，使该文件添加到刚建立的工程中去，如图2-26所示。2.编辑输入原理图文件图形编辑界面如图2-27所示，其右侧的空白处就是原理图的编辑区，在这个编辑区输入如图2-28所示的BiaoJueQi原理图。(1)元件的选择与放置在原理图编辑区的一个位置双击鼠标的左键，将弹出Symbol对话框，或单击鼠标右键，在弹出的选择对话框中选择Insert=Symbol下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation19...，也会弹出Symbol对话框。不要选中Symbol对话框中Repeat-insertmode(重复-插入模式)和insertsymbolasblock(作为流程图模块插入符号)复选框，即采用默认的一次性插入作为原理图元件的符号。用单击的方法展开Libraries栏中的元件库，如图2-29所示，其中primitives为基本元件库，打开logic子库，单面是常用的与门、或门和非门等门电路。在图2-30中，选择其中的二输入与门元件and2，然后单击OK按钮。出现如图2-31所示的图样。将该图样移到编辑区合适的地方左击鼠标，就可放置一个二输入与门元件，如图2-32所示。下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation20右击与门元件符号，在出现的菜单中选择Copy命令，如图2-33所示。将鼠标移到编辑区合适的地方右击鼠标，在弹出的菜单中选择Paste命令，如图2-34所示。就可通过复制---粘贴的方法获得另两个二输入与门元件，如图2-35所示。用相似的方法选择放置一个二输入或门元件符号，如图2-36所示.再打开primitives基本元件库的pin子库，如图2-37所示。选择、放置三个输入管脚元件input和一个输出管脚元件output元件到编辑区内，如图2-38所示。(2)连接各个元件符号把鼠标移到一个input元件连接处，将会出现图2-39所示的图样。下一页上一页§2.3相关技术基本知识与基本技能《EDA技术》ElectronicDesignAutomation21单击鼠标左键，移到要与之相连的与门元件的连接处，松开鼠标即可连接这两个要连接的元件，如图2-40所示。用同样的方法可按要求连接其他元件。(3)设定各输入输出管脚名将鼠标移