FPGA实验报告实验2.docx
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FPGA实验报告实验2
西南科技大学
实验报告
课程名称:
基于FPGA的现代数字系统设计
实验名称:
基于HDL十进制计数、显示系统设计
姓名:
学号:
班级:
通信1301
*******
西南科技大学信息工程学院制
基于HDL十进制计数、显示系统设计
一、实验目的
1、掌握基于语言的ISE设计全流程;
2、熟悉、应用VerilogHDL描述数字电路;
3、掌握基于Verilog的组合和时序逻辑电路的设计方法;
4、掌握chipscope片内逻辑分析仪的使用与调试方法。
二、实验原理
1、实验内容:
设计具有异步复位、同步使能的十进制计数器,其计数结果可以通过七段数码管、发光二极管等进行显示。
2、模块端口信号说明:
输入信号:
Clk_50m---系统采样时钟
clk-------待计数的时钟
clr---------异步清零信号,当clr=0,输出复位为0,当clr=1,正常计数
ena---------使能控制信号,当ena=1,电路正常累加计数,否则电路不工作
输出信号:
q[6:
0]---------驱动数码管,显示计数值的个位
cout-----------1bit数据,显示计数值向十位的进位
COM-----------共阳级数码管,公共端(接地,参考开发板原理图
3、以自顶向下的设计思路进行模块划分:
整个系统主要设计的模块是:
十进制计数模块和数码管驱动模块,由于实验板的按键为实现硬件防抖,则需要将按键输入的时钟clk,先通过消抖模块消抖后,再输出至后续使用。
1)十进制计数器模块设计
输入:
CLK-------待计数的时钟
CLR---------异步清零信号,当CLR=0,输出复位为0,当CLR=1,正常计数。
EN---------使能控制信号,当EN=1,电路正常累加计数,否则电路不工作
输出:
SUM[3:
0]----------计数值的个位。
即,在CLK上升沿检测到SUM=9时,SUM将被置0,开始新一轮的计数。
tc------------计数值的十位进位,即:
只有在时钟CLK上升沿检测到SUM=9时,TC将被置1,其余情况下TC=0;
在设计中可以使用always,if-else-if语句实现,设计中注意不要在两个以上的always模块中对同一个变量进行赋值,否则会产生多重赋值源(multi-source)的问题。
2)数码管显示驱动模块(led.v)输入:
input4[3:
0]-------待显示的数值输出:
out7[6:
0]----------驱动数码管的七位数值(注意下表中out的对应位)
数码
输入sum
输出out
对应码(h)
3
2
1
0
A
out[0]
B
out[1]
C
out[2]
D
out[3]
E
out[4]
F
out[5]
G
out[6]
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
81
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
CF
2
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
92
3
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
86
4
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
CC
5
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
A4
6
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
A0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
8F
8
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
80
9
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
84
A
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
88
b
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
E0
C
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
B1
d
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
C2
E
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
B0
F
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
B8
3)消抖模块
(1)按键抖动的产生原因:
通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。
(2)本次实验提供的消抖模块简介
电平检查模块:
检测输入的按键是否被按下或者释放,并分别将H2L_Sig,L2H_Sig拉高,并随后拉低,给出按键的操作信息。
延时模块:
对输入的信号变化时刻进行计时并观察信号的变换情况,对输出端口进行恰当地赋值实验资料中将给出消抖模块设计源代码。
对模块的具体设计细节不需理解,消抖模块不要求仿真
三、实验步骤
1、创建工程。
为工程,为工程命名、指定存储路径个文件夹。
2、计数器及数码管驱动模块设计
创建VHD模块文件,对各个模块进行设计
(1)计数器模块代码编写
modulecnt10(clk,clr,en,sum,tc
);
inputclk,clr,en;
outputreg[3:
0]sum;outputtc;
assigntc=(sum==4'b1111);
always@(posedgeclk,negedgeclr)
begin
if(~clr)sum<=4'b0000;
elseif(en)beginsum=sum+1'b1;
if(sum==4b'1010)sum<=4b'0000;end
elsesum<=sum;
end
endmodule
(2)数码管驱动模块代码编写
moduleled(
input[3:
0]input4,
outputreg[6:
0]out7
);
always@(input4)
begin
case(input4)
4'd0:
out7=7'h01;
4'd1:
out7=7'h4f;
4'd2:
out7=7'h12;
4'd3:
out7=7'h06;
4'd4:
out7=7'h46;
4'd5:
out7=7'h24;
4'd6:
out7=7'h20;
4'd7:
out7=7'h0f;
4'd8:
out7=7'h00;
4'd9:
out7=7'h04;
defaultout7=7'h0;
endcase
end
endmodule
(3)cnt10与led模块的组合
moduletop_2(clk,clr,ena,tc,out7);
inputclk,clr,ena;
outputtc;
output[6:
0]out7;
wire[3:
0]sum;
cnt10cnt(clk,clr,ena,sum,tc);
ledled1(sum,out7);
endmodule
(4)综合仿真
首先对计数器和数码管驱动两个模块进行综合,无误后编写测试激励文件,进行仿真。
激励文件及仿真结果如下:
得到正确的仿真图形后进行这两个模块组合的综合,创建激励文件,
进行仿真。
激励文件与仿真结果如下:
3、拷贝消抖模块代码:
debounce_module.v,delay_module.v,detect_module.v,组合完成消抖模块。
4、将消抖模块,十进制计数器(cnt10.v),数码管驱动模块(led.v)组合为一个系统。
编写代码如下:
moduleseg_top(clk_50M,clk,clr,ena,out,cout,com);
inputclk_50M,clk,clr,ena;
outputcom,cout;
output[6:
0]out;
wireclk_out;
assigncom=0;
debounce_moduleu3(clk_50M,clr,clk,clk_out);
top_2top2(clk_out,clr,ena,cout,out);
endmodule
然后进行顶层综合。
5、引脚锁定
根据引脚锁定表,编写约束文件,如下:
6、综合报告
阅读综合结果报告,记录其中关于时钟频率、资源消耗等关键数据如下:
7、顶层模块完成后,双击ImplementDesign,进行布局布线,双击GenerateProgrammingFile生成下载文件,双击ConfigureTargetDevice,按照提示完成下载。
8、下载后,改变拨动开关和按键,观察结果。
9、使用chipscope片内逻辑分析仪对设计进行硬件调试,验证设计是否正确。
掌握该调试方法和调试步骤。
四、实验结果及分析
1、对计数器时序图分析:
当clr为低电平时(复位信号采用低电平有效),计数器输出0000,
当clk,en(高电平有效)为高电平时,计数器开始正常计数,时钟信号每来一个上升沿,sum输出端口从0000增加到1001,进位tc变为为1,再来一个上升沿后,tc变为0,sum又从0000开始计时。
显然时序图符合预期功能,故功能仿真正确。
2、对数码管驱动时序图分析:
当输入信号从0000变化到1001时,输出信号对应于数码管真值表中输出的变化。
显然功能仿真正确。
3、对数码管驱动与计数器的组合模块时序图分析:
当输入复位信号en为高电平,clr为高电平时,每来一个时钟信号,输出out7也变化一次,且变化与数码管驱动真值表中输入从一到十变化时的输出变化一致。
功能仿真真确。
五、实验思考题解答(实验指导书要求的思考题)
1、如何用两个或一个always实现十进制计数模块?
写出相应代码。
modulecnt10(clk,clr,en,sum,tc);
inputclk,clr,en;
outputreg[3:
0]sum;outputtc;
assigntc=(sum==4'b1111);
always@(posedgeclk,negedgeclr)
begin
if(~clr)sum<=4'b0000;
elseif(en)beginsum=sum+1'b1;
if(sum==4b'1010)sum<=4b'0000;end
elsesum<=sum;
end
endmodule
2、如何用always,或assign实现数码管的驱动设计?
写出相应代码。
moduleled(
input[3:
0]input4,
outputreg[6:
0]out7
);
always@(input4)
begin
case(input4)
4'd0:
out7=7'h01;
4'd1:
out7=7'h4f;
4'd2:
out7=7'h12;
4'd3:
out7=7'h06;
4'd4:
out7=7'h46;
4'd5:
out7=7'h24;
4'd6:
out7=7'h20;
4'd7:
out7=7'h0f;
4'd8:
out7=7'h00;
4'd9:
out7=7'h04;
defaultout7=7'h0;
endcase
end
endmodule
3、比较实验一与实验二的实验过程,说明原理图输入法与HDL输入法的不同的应用环境。
实验一中应用的是原理图完成十进制计数器的数显,工作量相对较大,需要绘制8张原理图,其中还不包扩消抖模块。
所以原理图设计适合相对简单的电路,门电路较少的电路。
而实验二应用HDL语言描述要完成的功能,对于较复杂的电路设计起来相对简单,所以HDL语言设计比较复杂的电路。
门电路很多的电路。
4、CHIPSCOPE调试和仿真有何区别?
modelsim是写好代码后,对设计的功能进行全面的仿真,检查设计中的问题,不涉及FPGA硬件
chipscope是个调试阶段的调试工具,只能检查局部,部分"出问题“的地方的检验,必须涉及FPGA硬件
六、体会
1、实验过程中对verrilog语言有了进一步的熟悉,对ISE设计流程有了更深入的理解与认识。
2、Verilog硬件描述语言和c语言或其他编程语言有着一些相似的地方,但是也存在很大差异。
在实验过程中,由于把其他编程语言的语句或习惯也写进了设计中,导致多次出错。
所以还需要多做练习来很好地区分和熟
悉verilog语言。
3、通过实验,对时序电路的编写设计有了初步认知,对其基本步步骤有了基本的掌握,同时也感受到了流程级建模和行为级建模的综合使用的灵活性。
比如,将进位信号写在always语句之外显得很方便。
4、对于功能仿真要考虑到仿真的完备性,比如在设计时钟周期与仿真时间长度时,至少应该让设计进行一个完整的功能周期(考虑到所有情况),这样才能避免没有检查出存在的错误。