08-可编程逻辑器件基础及应用实验指导书

《可编程逻辑器件基础及应用》实验指导书南通大学电子信息学院2007年8月南通大学电子信息学院1、目的和任务《可编程逻辑器件基础及应用》是一门侧重掌握可编程逻辑器件的基本结构和原理的课程。重点是使学生掌握基于可编程逻辑器件的数字系统的设计和测试方法，了解数字系统设计中现场可编程逻辑系统的设计技巧。通过上机学习，学生不仅可以系统地复习、巩固该课程的基本理论，而且培养学生解决问题能力和创新能力。2、教学基本要求能熟练使用QuartusII软件，利用硬件描述语言，基于可编程逻辑器件，了解数字系统设计中现场可编程逻辑系统的设计技巧。3、实验条件（1）、PC机、QuartusⅡ软件（2）、GW48型EDA实验开发系统（EP1K30TC144-3）4、实验内容和学时分配序号实验内容学时1实验一可逆计数器的设计设计一个4位二进制可逆计数器22实验二8位×8位定点乘法器的设计采用VerilogHDL进行8位×8位定点乘法运算电路的设计仿真，学生可以选择采用树型结构、流水线式、简单的移位相加迭代结构和改进的移位相加迭代结构四种方案中的两种进行设计实现23实验三简易电子钟的设计设计一个简易电子钟，小时计数器为“12翻1”；分计数器为8421BCD码60进制计数器24实验四数字跑表电路的设计设计数字跑表电路，跑表的计时范围为0.01s至59min59.99s，计时精度10ms25实验五交通灯控制器设计设计一个交通灯控制器，在A、B方向各有红、黄、绿三盏灯；交通灯控制器按照10s的节拍工作，各灯亮的时间相等26实验六伪随机信号产生器的设计设计一个M序列脉冲产生器电路，能循环输出“000100110101111”脉冲序列21南通大学电子信息学院7实验七数字频率计的设计设计一个数字频率计，可以测量1－999999Hz范围的频率28实验八正弦波形发生器电路设计设计一个具有多种功能的正弦波形发生器电路，要求能持续稳定地输出正弦波形，学生可以从调频、调相或调幅功能中至少选择一种功能完成25、实验成绩实验成绩的评定由实验的验收等级和实验报告等级两个部分组成，各占50%。实验的验收等级和实验报告等级均采用5个等级，即优、良、中、及格和不及格。实验成绩占本课程平时成绩的50%。2南通大学电子信息学院实验一可逆计数器的设计1、实验目的与要求掌握可逆计数器的基本原理和设计方法，了解数字系统的设计规格制定，器件选型和性能评估方法。要求设计一个4位二进制可逆计数器，并且具有复位和置数的功能。M1和M0是计数器的工作方式控制端，控制方式为：当M1M0为00时，工作方式为复位；当M1M0为01时，工作方式为置数；当M1M0为10时，工作方式为加计数；当M1M0为11时，工作方式为减计数。2、实验内容（1）、在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将可逆计数器的硬件描述语言程序输入；（2）、完成编译、调试、仿真和下载验证，分析实验结果，判断其正确性。3、教学形式（1）、本实验为验证性实验，学生在实验前预习实验指导书；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、能熟练地在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将可逆计数器的硬件描述语言程序输入，并进行编译和调试，排除编译后的错误；（2）、正确地在仿真之前进行功能仿真的设置，并熟练地完成功能仿真和时序仿真；（3）、掌握基于ACEX1K系列EP1K30TC144-3器件的下载验证方法（采用模式1）。5、思考题（1）、如果要求的是设计一个带有异步复位和异步置数端的4位二进制可逆计数器，那么该如何进行设计？（2）、在下载之前，如果引脚锁定后没有再次编译，下载时会出现什么情况？3南通大学电子信息学院实验二8位×8位定点乘法器的设计1、实验目的与要求掌握8位×8位定点乘法运算的工作原理和运算过程，以及运用VerilogHDL进行设计，并在QuartusII上完成编译、调试和仿真的方法。要求被乘数和乘数分别为a[7:0]和b[7:0]，运算的结果为c[7:0]。学生可以选择采用树型结构、流水线式、简单的移位相加迭代结构和改进的移位相加迭代结构四种方案中的两种进行设计实现。2、实验内容（1）、选择两种方案，分别进行VerilogHDL设计；（2）、在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将两种不同设计方案实现的8位×8位定点乘法器的硬件描述语言程序输入；（3）、完成编译、调试和仿真，分析实验仿真结果，判断其正确性。3、教学形式（1）、本实验为设计性实验，学生应该在实验之前预习实验指导书，并完成实验内容中的第（1）个步骤；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验进行中学生完成其余的实验步骤，并对两种不同的设计方案的实验结果进行分析，比较它们的最高工作频率和占用的逻辑资源数目；（4）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、掌握树型结构、流水线式、简单的移位相加迭代结构和改进的移位相加迭代结构四种方案的工作原理和运算过程；（2）、能熟练地在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将8位×8位定点乘法器的硬件描述语言程序输入；（3）、能熟练地进行编译和调试，排除编译后的错误；（4）、正确地在仿真之前进行功能仿真的设置，并熟练地完成功能仿真和时序仿真。4南通大学电子信息学院5、思考题（1）、根据实验的结果，如果优先考虑提高乘法器的运算速度，那么应该采用哪种设计方案比较合适？（2）、根据实验的结果，如果优先考虑减少乘法器占用的逻辑资源数目，那么应该采用哪种设计方案比较合适？5南通大学电子信息学院实验三简易电子钟的设计1、实验目的与要求掌握简易电子钟的基本原理，以及运用VerilogHDL进行设计，并在QuartusII上完成编译、调试、仿真和下载验证的方法。要求简易电子钟的小时计数器为“12翻1”；分计数器为8421BCD码60进制计数器。输入变量为：时钟clk，直接清零reset；输出变量为：小时计时变量为Q15…Q7，其中Q15…Q12为小时的十位，Q11…Q8为小时的个位；Q7…Q0为分计时变量，其中Q7…Q4为分的十位，Q3…Q0为分的个位，上述计时变量均采用8421BCD码。2、实验内容（1）、在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将简易电子钟电路的硬件描述语言程序输入；（2）、完成编译、调试、仿真和下载验证，分析实验结果，判断其正确性。3、教学形式（1）、本实验为验证性实验，学生在实验前预习实验指导书；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、能熟练地在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将简易电子钟电路的VerilogHDL程序输入，并进行编译和调试，排除编译后的错误；（2）、正确地在仿真之前进行功能仿真的设置，并熟练地完成功能仿真和时序仿真；（3）、掌握对简易电子钟电路进行下载验证的方法（采用模式7）。5、思考题（1）、如果要求设计的是带有秒计数器的电子钟，即秒计数器也要按照8421BCD码60进制计数器工作，那么该设计应如何修改？6南通大学电子信息学院实验四数字跑表电路的设计1、实验目的与要求掌握数字跑表电路的工作原理和设计，以及运用VerilogHDL进行设计，并在QuartusII上完成编译、调试、仿真和下载验证的方法。要求通过两个按键来控制计时的起点和终点，一个是清零控制按键，用于设置跑表为初始零状态；另一个则是开始/停止控制按键，在清零控制按键无效的时候，按一下开始/停止键则计时器开始计时，再按一下则暂停计时，再按一下则继续计时。设计的具体要求如下：（1）数字跑表的计时范围为0.01s~59min59.99s，计时精度为10ms。（2）具有异步清零、启动、计时和暂停功能。（3）输入时钟频率为100Hz。（4）要求数字跑表的输出能够直接驱动数码管显示。2、实验内容（1）、在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将数字跑表电路的硬件描述语言程序输入；（2）、完成编译、调试、仿真和下载验证，分析实验结果，判断其正确性。3、教学形式（1）、本实验为验证性实验，学生应该在实验之前预习实验指导书；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、能熟练地在QuartusⅡ开发环境下，建立工程，并将简易电子钟电路的VerilogHDL程序输入，并进行编译和调试，排除编译后的错误；（2）、正确地在仿真之前进行功能仿真的设置，并熟练地完成功能仿真和时序仿真；（3）、掌握对数字跑表电路进行下载验证的方法（采用模式7）。7南通大学电子信息学院5、思考题（1）、设计要求中的输入时钟频率为100Hz，但是实际的实验开发系统上如果没有提供这个频率，那么该如何实现这一要求呢？8南通大学电子信息学院实验五交通灯控制器设计1、实验目的与要求掌握交通灯控制器电路的工作原理，以及运用VerilogHDL进行设计，并在QuartusII上完成编译、调试、仿真和下载验证的方法。要求设计一个交通灯控制器，在A、B方向各有红、黄、绿三盏灯；交通灯控制器按照10s的节拍工作，各灯亮的时间相等。在下载时，各个数码管的数值均以十进制减法计数器的方式工作。2、实验内容（1）、画出交通灯控制器电路的状态转换图；（2）、状态编码（状态编码的类型任选，如独热码、格雷码和二进制码等）；（3）、编写VerilogHDL程序；（4）、完成编译、调试和仿真；（5）、在GW48型EDA实验开发系统下载验证。3、教学形式（1）、本实验为验证性实验，学生在实验前预习实验指导书，并完成实验内容中前面3个步骤；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、能熟练地画出交通灯控制器电路的状态转换图；（2）、能准确地区分独热码、格雷码和二进制码等状态编码的概念，熟练地进行状态分配。学会利用parameter语句进行状态常量的定义；（3）、熟练掌握编译、调试和仿真的方法；（4）、掌握在GW48型EDA实验开发系统下载验证的方法（模式9）。5、思考题（1）、如果交通灯控制器按照5s的节拍工作，各灯亮的时间相等，那么该9南通大学电子信息学院设计将应该如何修改？（2）、对于交通灯控制器电路来说，如果状态编码采用二进制码，那么状态寄存器至少需要几位的位宽？如果状态编码采用格雷码，那么状态寄存器至少需要几位的位宽？如果状态编码采用独热码，那么状态寄存器至少需要几位的位宽？10南通大学电子信息学院实验六伪随机信号产生器的设计1、实验目的与要求掌握M序列脉冲发生器的基本原理，以及运用VerilogHDL进行设计，并在QuartusII上完成编译、调试、仿真和下载验证的方法。要求设计一个M序列脉冲产生器电路，能循环输出“000100110101111”脉冲序列。2、实验内容（1）、在QuartusII开发环境下，建立工程，并将M序列脉冲发生器的硬件描述语言程序输入；（2）、完成编译、调试、仿真和下载验证，分析实验结果，判断其正确性。3、教学形式（1）、本实验为验证性实验，学生在实验前预习实验指导书；（2）、指导教师应该在实验前阐述实验目的、内容、方法和步骤，并且就实验中的难点和注意事项进行一定的说明；（3）、实验结束之后，学生按照实验报告的书写格式自行完成实验报告。4、应达到的实验能力标准（1）、能熟练地在QuartusII开发环境下，建立工程，并将M序列脉冲发