实验三组合逻辑电路的VHDL设计

一、实验目的

熟悉QuartusⅡ的VHDL文本设计过程，学习简单组合逻辑电路的设计、仿真和测试方法。

二、实验内容

1. 基本命题

完成2选1多路选择器的文本编辑输入(mux21a.vhd)和仿真测试等步骤。最后在实验系统上进行硬件测试，验证本项设计的功能。

2. 扩展命题

将设计的2选1多路选择器看成是一个元件mux21a，利用元件例化语句设计能够满足图3-1所示仿真波形的逻辑功能的双2选1多路选择器。

图3-1 仿真波形

三、实验仪器与器材

计算机1台，GW48-PK2S实验箱1台，QuartusⅡ6.0 1套。

四、实验

将实验原理、设计过程、仿真步骤、仿真波形和分析结果、硬件测试实验结果写进实验报告。

2选1多路选择器设计

① 实验原理

由数电知识可知，2选1多路选择器由2个数据输入口（IN0,IN1），1个数据选择端（S1），一个输出口（COUTY）构成。本程序通过判断数据选择端(S1)的取值，将对应的数据输入口(IN0或IN1)输出。

② 程序设计

LIBRARY IEEE;
 
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
 
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
 
ENTITY mux21a IS
 
    PORT (   IN0,IN1,S1:in std_logic;
 
                      COUTY : OUT STD_LOGIC);
 
END mux21a;
 
ARCHITECTURE behav OF mux21a IS
 
BEGIN
 
       COUTY<=IN0 when S1='' ELSE IN1;
 
END behav;

③ mux21a仿真波形图

为了使仿真结果更为直观，我们将IN0设为高电平，IN1设为低电平。

图1 mux21a仿真波形图

由图1可知，我们可知当S1处于高电平时，COUNT输出IN1;反之，输出IN0.所以所设计的实验能够满足要求。

双2选1多路选择器

① 实验原理

本实验中直接利用上题的mux21a。由上题可知，mux21a由2个数据输入口（IN0,IN1），1个数据选择端（S1），一个输出口（COUTY）构成。设有两个mux21a，分别为U1和U2。为了充分利用U1和U2的数据选择端，我们将U1的输出口(COUNT)接到U2的输入口IN0，这样U2通过自身的选择端（S1）就可以选择U1的输出或则自己IN0的输入数据，实现2选1选择器到双2选1多路选择器的扩展。(如图2所示)

图2 双二选一多路选择器

② 程序设计

LIBRARY IEEE;
 
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
 
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
 
ENTITY dmux21a IS
 
    PORT (   IN0,IN1,IN2,S0,S1:in STD_LOGIC;
 
                      COUTY : OUT STD_LOGIC);
 
END dmux21a;
 
ARCHITECTURE BHV OF dmux21a IS
 
 COMPONENT MUX21A
 
              PORT(IN0,IN1,S1:IN STD_LOGIC;
 
                            COUTY :OUT STD_LOGIC);
 
   END COMPONENT;
 
SIGNAL tmp : STD_LOGIC;
 
BEGIN
 
              u1 : MUX21A PORT MAP(IN0, IN1, S0, tmp);   
 
              u2 : MUX21A PORT MAP(IN2, tmp, S1, COUTY);
 
END BHV;

③ dmux21a 仿真波形图

图3dmux21a仿真波形图

波形图预测：当S1=0时输出IN2的波形；当S1=1，S0=1，输出IN1的波形；当S1=1,S0=0,输出IN0的波形。

由波形图可知，方针结果与预测结果一致。

（2）进行本实验引脚锁定时，建议选择实验模式5（No.5），用键1（PIO0）控制端s0；用键2（PIO1）控制端s1；a3、a2、a1分别接clock5、clock0和clock2；输出信号y接扬声器spkert。通过短路帽选择clock0接256Hz信号，clock5接1024kHz信号，clock2接8kHz信号。最后进行编辑、下载和硬件测试实验（通过选择键1、键2、控制s0、s1，可使扬声器输出不同音调）。

表1-1 dmux21a在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
控制端s0	s0	键1	PIO0	233	模式No.5
控制端s1	S1	键2	PIO1	234
输入信号3	IN2	clock5	clock5	152
输入信号2	IN1	Clock0	Clock0	153
输入信号1	IN0	Clock2	Clock2	28
扬声器	y	扬声器	SPEAKER	174

如表1所示完成元件dmux21a与实验板引脚的绑定。如图4所示

图4 dmux21a与实验板引脚的绑定

五、实验思考题

比较图形编辑输入与文本编辑输入的主要差别，谈谈例化语句的作用及应用时应注意的问题。

1、比较图形编辑输入与文本编辑输入的主要差别

使用图形编辑法的话，我们需要对逻辑运算与硬件结构对应起来，也就是要懂得将逻辑运算转化成硬件电路，这需要有较为扎实的硬件功底。使用文本编辑输入的话，我们只需要懂得用VHDL表达逻辑运算，而不必关心硬件电路的组成，这可以减轻很多硬件设计方面的功夫（接线，选用元器件等）。

2、例化语句的作用及应用时应注意的问题

1) 例化语句的作用是：引入另一个已经设计好的组件。

2) 应用时应注意的问题：

① 要记得将原先已经设计好的原件放在工程底下。对于本体来说是mux21a。

② 要将引入的元件与顶级元件的引脚一一匹配，有需要的话，使用信号(SINGAL)进行消息的传递。