实验1 在MAX10 FPGA上实现组合逻辑

实验前的准备工作:参照讲义步骤安装Quartus,Modelsim和System Builder。阅读材料：1）推荐的文件组织形式；2）Verilog 1：概述和Verilog 2：重点是assign语句。

参考资源：友晶网站上的关于DE10-Lite实验板的资源：用户手册，工具和案例。

http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=218&No=1021&PartNo=4

Part 0. 使用System
Bulider、Quartus和Modelsim的设计流程

A．使用System Builder创建工程文件

在用户手册的第4章介绍了System Builder，它是一个windows平台的工具。用来生成Quartus工程文件和分配DE10-Lite实验板的I/O引脚。

（1）
运行DE10_Lite_SystemBuilder.exe

（2）
输入工程名称和勾选在工程里用到I/O设备。

如图1所示，在这里我们设定工程名是majority，勾选了LED,按键，拨动开关，7段数码管这些I/O设备。然后单击Generate按钮，将生成的文件保存到工程目录。当成功生成工程文件后，退出SystemBuilder.

图 1 SystemBuilder界面

如图2所示，在工程目录中，Systembuilder生成了一系列工程文件。

图 2 SystemBuilder生成的工程文件

其中majority.v是顶层设计的Verilog文件模板（如图3所示）。SystemBilder已经在这个模板里把端口声明和引脚分配完成，带来很大的便利。可以更叫专注于功能描述。

//=======================================================

//
This code is generated by Terasic System Builder

//=======================================================

module majority(

////////////
SEG7 //////////

output
[7:0] HEX0,

output
[7:0] HEX1,

output
[7:0] HEX2,

output
[7:0] HEX3,

output
[7:0] HEX4,

output
[7:0] HEX5,

////////////
KEY //////////

input
[1:0] KEY,

////////////
LED //////////

output
[9:0] LEDR,

////////////
SW //////////

input
[9:0] SW

);

//=======================================================

//
REG/WIRE declarations

//=======================================================

//
Structural coding

//=======================================================

endmodule

图3 Verilog模板文件

在这个案例里，我们描述基本的逻辑门组成的电路功能。如同书中3.6节描述的那样（Digital Design- A System Approach）.我们使用拨动开关作为电路的输入，使用LED作为电路的输出。

B．
使用Quartus Prime编译和编程

l 运行Quartus Prime并打开之前用SystemBuilder创建的工程文件。

l 选择File> Open Project,在工程目录，选择majority.qpf.

l 在Project Navigator窗口双击majority实体名，打开其Verilog设计文件。

l 在majority.v的功能描述部分，添加下面一条语句。

assign LEDR[1] =
(SW[0]&SW[1])|(SW[0]&SW[2])|(SW[1]&SW[2]);

这里只有当3个拨动开关有至少2个都是1时，LED才被点亮。实验板上LED的电路如图4所示。

图 4
LED电路

l 当完成Verilog代码编辑后，选择Processing > Start
Compliation。此处应该0个错误。

l 选择Tools > Programmer。通过USB电缆连接DE10-Lite实验板和电脑。如图5所示，在Hardware Setup那里设置为USB-Blaster[USB-0],如果没有，可能是驱动没有安装。确定majority.sof文件显示在下方列表并且已勾选Programe/Configure.然后单击Start按钮。

图 5
编程窗口

现在，可以在实验板上验证这个逻辑门电路的设计。通过拨动SW[2]、SW[1]和SW[0]，观察LEDR[1]的亮灭，其中只有在两个或两个以上开关推上去时，LEDR[1]亮，反之则灭。

C．
使用Testbench在ModelSim里仿真

使用功能仿真和时序仿真来仿真设计是一种功能强大的调试技术。它比把设计的电路下载到FPGA里来调试好太多了。因为：1）在功能仿真里，可以像观察I/O端口一样观察电路的内部信号；2）使用testbench节省了每次下载验证所需的下载时间。

我们将使用testbench来做电路的功能仿真。虽然可以手绘波形激励，但最好的方法是编写testbench产生电路的输入并监视输出。

图6列出了逻辑门电路的testbench内容。

module tb_majority;

reg [2:0] count;

wire [7:0] HEX5;

wire [7:0] HEX4;

wire [7:0] HEX3;

wire [7:0] HEX2;

wire [7:0] HEX1;

wire [7:0] HEX0;

wire [9:0] LEDR;

wire [9:0] SW;

assign SW[2:0] = count;

majority maj1(.HEX0(HEX0),

.HEX1(HEX1),

.HEX2(HEX2),

.HEX3(HEX3),

.HEX4(HEX4),

.HEX5(HEX5),

.KEY(KEY),

.LEDR(LEDR),

.SW(SW)

);

initial

begin

count
= 3'b0;

repeat(8)

begin

#100

$display("in
= %b, out = %b",count,LEDR[1]);

count
= count + 1'b1;

end

endmodule

图6 testbench

Testbench文件不能综合成实际的电路，只是用来做仿真。因此，它可以使用不可综合的Verilog语句，如延时#,display,initial等。testbench例化被测试的模块，产生输入激励并监视输出。在ModelSim里，波形查看器是一个很方便的检测电路响应的工具。

ModelSim里功能仿真步骤如下：

1）在majority.v同目录下，新建tb_majority.v文件，并编辑。

2）在Quartus工程目录，创建一个名为Simulation的子目录，用来存储仿真文件。

3）运行ModelSime。

4）选择File > New > Project打开新建工程对话框。设定路径（如前所述）和工程名。其它设置缺省不修改。单击OK。

5）在Add Items to the Project窗口，添加majority.v和tb_majority.v文件，选择Reference from current
location.

6）选择Compile > Compile All。此处应该0错误。

7）单击Simulate > Start Simulation，选择Desing >
work > tb_majority。

8）查看仿真波形。选择View > Wave。然后，在Objects窗口选择count,右击，选择Add Wave。这样就把count信号添加到波形窗口。再展开LEDR信号，把LEDR[1]添加到波形窗口。这样在波形窗口就可以看到逻辑门电路的输入/出信号。

9）执行仿真可以通过菜单操作：Simulate > Run > Run 100或者在命令窗口输入run执行。这样将使仿真运行100个时间单位，缺省是100ps。如图7所示，是仿真运行800ps的波形。

图 7 仿真波形

在ModelSim的控制窗口，也可以看到testbench的输出信息，如图8所示，其输入/出信息通图7波形显示结果。

图 8
控制台窗口信息

Part 1. 在DE10-Lite实验板上实现基本的组合逻辑门电路

参照Part 0的设计，新建一个工程，实现逻辑门电路的可以，可以使用2-4输入的与门、与非门、或门和或非门。也可以用按键直接操控LED和7段数码管。这里需要注意，DE10-Lite上的7段数码管是共阳极的连接。下载验证。并编写testbench测试。

图 9 共阳7段数码管

这里决定用KEY[1]和KEY[0]相与后驱动LEDR1和HEX0，设计代码和testbench如下：

//=======================================================

//
This code is generated by Terasic System Builder

//=======================================================

module part2(

////////////
SEG7 //////////

output
[7:0] HEX0,

output
[7:0] HEX1,

output
[7:0] HEX2,

output
[7:0] HEX3,

output
[7:0] HEX4,

output
[7:0] HEX5,

////////////
KEY //////////

input
[1:0] KEY,

////////////
LED //////////

output
[9:0] LEDR,

////////////
SW //////////

input
[9:0] SW

);

//=======================================================

//
REG/WIRE declarations

//=======================================================

//
Structural coding

//=======================================================

assign LEDR[1] = (KEY[0]&KEY[1]);

assign HEX0 =
~(KEY[1]&KEY[0])?8'b0100_0000:8'b1111_1111;

endmodule

测试代码：

module tb_part2;

reg [1:0] count;

wire [7:0] HEX0;

wire [7:0] HEX1;

wire [7:0] HEX2;

wire [7:0] HEX3;

wire [7:0] HEX4;

wire [7:0] HEX5;

wire [1:0] KEY;

wire [9:0] SW;

wire [9:0] LEDR;

assign KEY = count;

part2 p1(.HEX0(HEX0),

.HEX1(HEX1),

.HEX2(HEX2),

.HEX3(HEX3),

.HEX4(HEX4),

.HEX5(HEX5),

.KEY(KEY),

.LEDR(LEDR),

.SW(SW)

);

initial

begin

count = 2'b00;

repeat(4)

begin

#100

$display("in = %b, out = %b",count,LEDR[1]);

count = count +1'b1;

end

endmodule

仿真结果如图10所示：

图 10
part 2 仿真结果

图 11
监视输出

Part 2. 为 4 位开关输入实现组合逻辑十进制 7 段显示

设计一个组合逻辑电路，用SW[3]-SW[0]作输入，HEX1，HEX0作输出。使数码管根据输入显示00、01、02、。。。、13、14、15。另外4个数码管HEX5-HEX2关闭。

按以下步骤完成:

1）写出真值表(输入是SW[4]-SW[0]，输出是HEX1和HEX0的每段)；

2）卡诺图化简；

3）使用assign语句描述7段数码管每一段的逻辑表达式；

4）用testbench测试输入的16种情况；

5）编译并下载验证。

后面会学习使用其它描述方式描述真值表，比如case语句，就不需要推导数码管每一段的逻辑表达式。

参考代码如下：

//=======================================================

// This code is generated by Terasic System
Builder

//=======================================================

module
lab1_part2(

//////////// SEG7 //////////

output [7:0] HEX0,

output [7:0] HEX1,

output [7:0] HEX2,

output [7:0] HEX3,

output [7:0] HEX4,

output [7:0] HEX5,

//////////// KEY //////////

input [1:0] KEY,

//////////// LED //////////

output [9:0] LEDR,

//////////// SW //////////

input [9:0] SW

);

//=======================================================

// REG/WIRE declarations

//=======================================================

// Structural coding

//=======================================================

assign
HEX1[6] = 1'b1;

assign
HEX1[5] = SW[3]&SW[2] | SW[3]&SW[1];

assign
HEX1[4] = SW[3]&SW[2] | SW[3]&SW[1];

assign
HEX1[3] = SW[3]&SW[2] | SW[3]&SW[1];

assign
HEX1[2] = 1'b0;

assign
HEX1[1] = 1'b0;

assign
HEX1[0] = SW[3]&SW[2] | SW[3]&SW[1];

assign
HEX0[6] = ~SW[3]&~SW[2]&~SW[1] |

~SW[3]&SW[2]&SW[1]&SW[0]
|

SW[3]&~SW[2]&SW[1];

assign
HEX0[5] = SW[3]&SW[2]&~SW[1] |

~SW[3]&~SW[2]&SW[0] |

~SW[3]&~SW[2]&SW[1] |

~SW[3]&SW[1]&SW[0] |

~SW[2]&SW[1]&SW[0];

assign
HEX0[4] = SW[0] | ~SW[3]&SW[2]&~SW[1] |

SW[3]&SW[2]&SW[1];

assign
HEX0[3] = ~SW[3]&SW[2]&~SW[1]&~SW[0] |

~SW[3]&~SW[2]&~SW[1]&SW[0] |

~SW[3]&SW[2]&SW[1]&SW[0] |

SW[3]&SW[2]&SW[1]&~SW[0] |

SW[3]&~SW[2]&SW[1]&SW[0];

assign
HEX0[2] = SW[3]&SW[2]&~SW[1]&~SW[0] |

~SW[3]&~SW[2]&SW[1]&~SW[0];

assign
HEX0[1] = ~SW[3]&SW[2]&~SW[1]&SW[0] |

SW[3]&SW[2]&SW[1]&SW[0] |

~SW[3]&SW[2]&SW[1]&~SW[0];

assign
HEX0[0] = ~SW[3]&~SW[2]&~SW[1]&SW[0] |

~SW[3]&SW[2]&~SW[1]&~SW[0] |

SW[3]&SW[2]&SW[1]&~SW[0] |

SW[3]&~SW[2]&SW[1]&SW[0];

//turn
off HEX5-HEX2

assign
HEX5 = 8'b1111_1111;

assign
HEX4 = 8'b1111_1111;

assign
HEX3 = 8'b1111_1111;

assign HEX2
= 8'b1111_1111;

endmodule

测试代码如下:

module tb_p2;

reg [3:0]
count;

wire
[9:0] SW;

wire
[1:0] KEY;

wire
[9:0] LEDR;

wire
[6:0] HEX5,HEX4,HEX3,HEX2,HEX1,HEX0;

assign
SW[3:0] = count;

lab1_part2
p1(.KEY(KEY),

.SW(SW),

.LEDR(LEDR),

.HEX5(HEX5),

.HEX4(HEX4),

.HEX3(HEX3),

.HEX2(HEX2),

.HEX1(HEX1),

.HEX0(HEX0)

);

initial

begin

count = 4'd0;

repeat(16)

begin

#100

$display("in = %b, out =
%b",count,{HEX1,HEX0});

count = count + 1'b1;

end

endmodule

仿真结果如图12所示,类似之前列出的真值表,对应16种SW的组合,生成相应的HEX1和HEX0的状态.

图12
仿真结果

评分标准:

1）共60分,其中,Part 1占25分,Part 2占35分;

2） 10分,设计Part 1和Part 2的Verilog代码;

3） 10分,Part 2的真值表,卡诺图,逻辑表达式;

4） 20分,Part 1和Part 2的testbench及仿真结果。

References：

1．University of California, Davis

Department
of Electrical and Computer Engineering

EEC180
DIGITAL SYSTEMS II Spring 2021

Lab 1:
Implementing Combinational Logic in the MAX10 FPGA

Written by YongfengXie

2022/06/17