实验三-基于Quartus-II的流水灯设计仿真ppt课件

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1、实验三：基于实验三：基于QuartusIIQuartusII原理原理图的流水灯设计及仿真图的流水灯设计及仿真 一、实验目的一、实验目的掌握掌握EDA集成工具软件集成工具软件Quartus II的使用；的使用；了解基于了解基于PLD的的EDA设计流程；设计流程；熟悉使用熟悉使用QuartusII原理图方式进行数字逻辑电路设计原理图方式进行数字逻辑电路设计的方法；的方法；熟练掌握使用熟练掌握使用QuartusII对逻辑电路进行仿真。对逻辑电路进行仿真。2二、实验设备二、实验设备n计算机计算机3三、实验原理三、实验原理流水灯是一种效果灯光，它通过按固定的规律将流水灯是一种效果灯光，它通过按固定的规律

2、将LED点亮或熄灭点亮或熄灭 上图给出了一种简单的流水灯状态变化示意图，用逻上图给出了一种简单的流水灯状态变化示意图，用逻辑电路控制辑电路控制8个个LED灯，始终保持灯，始终保持7亮亮1暗，在脉冲信暗，在脉冲信号号CP的推动下循环流动；的推动下循环流动；将灯亮用将灯亮用1表示，灯灭用表示，灯灭用0表示；表示；1二进制译码器结合计数器实现二进制译码器结合计数器实现使用八进制计数器产生使用八进制计数器产生74LS138地址端所需的地址端所需的8个地址个地址信号，将计数输出信号，将计数输出Q0、Q1、Q2分别接入分别接入74LS138的的A0、A1、A2，为计数器提供低频连续脉冲，为计数器提供低频连

3、续脉冲CP，即可，即可在在74LS138的的8个输出端获得流水灯的连续状态输出个输出端获得流水灯的连续状态输出 八进制计数器可以通过将八进制计数器可以通过将3个个JK或或D触发器触发器先组成先组成T触发器，然后再级联为异步计数器触发器，然后再级联为异步计数器 2移位寄存器构成顺序脉冲发生器实现移位寄存器构成顺序脉冲发生器实现 移位寄存器构成顺序脉冲发生器可用来控制移位寄存器构成顺序脉冲发生器可用来控制LED灯按灯按照设计的顺序节拍进行变化，从而实现流水效果。照设计的顺序节拍进行变化，从而实现流水效果。74LS194是双向是双向4位移位寄存器，为了控制位移位寄存器，为了控制8个灯，可个灯，可以将

4、以将2片片74LS194级联后构成级联后构成8位顺序脉冲发生器位顺序脉冲发生器 顺序脉冲发生器启动时需要通过置数功能先预置状态初值，顺序脉冲发生器启动时需要通过置数功能先预置状态初值，然后再切换回移位状态，这需要对然后再切换回移位状态，这需要对74LS194的的M1、M0模式控制端使用开关进行模式切换模式控制端使用开关进行模式切换 1设计一个计数译码型流水灯的逻辑电路并完成仿真测试，设计一个计数译码型流水灯的逻辑电路并完成仿真测试，电路采用电路采用8灯结构，灯结构，8个灯按个灯按7亮亮1暗的规律循环流动，步骤要求暗的规律循环流动，步骤要求如下：如下：（1）在）在Quartus II软件环境下，

5、采用原理图方式，完成逻辑电软件环境下，采用原理图方式，完成逻辑电路设计。路设计。（2）启动全程编译，若存在严重的逻辑问题编译时会报错，修）启动全程编译，若存在严重的逻辑问题编译时会报错，修改直至电路无误；改直至电路无误；（3）新建波形激励文件并配置测试端口，合理设置仿真时间长）新建波形激励文件并配置测试端口，合理设置仿真时间长度及仿真时钟周期；度及仿真时钟周期；（4）启动仿真。仿真运行完毕后会生成报告波形。分析仿真波）启动仿真。仿真运行完毕后会生成报告波形。分析仿真波形的特征，印证设计目标，是否达到预期设计。形的特征，印证设计目标，是否达到预期设计。2设计一个移存型流水灯的逻辑电路并完成仿真测

6、试，电路设计一个移存型流水灯的逻辑电路并完成仿真测试，电路采用采用8灯结构，灯结构，8个灯按个灯按1亮亮7暗的规律循环流动。暗的规律循环流动。设计的步骤要求同上。设计的步骤要求同上。6四、实验内容和要求四、实验内容和要求 1、异步模八计数器设计（在QuartusII中画图）由由JKTJKT构成异步模八计数器为构成异步模八计数器为74LS13874LS138产生连续变化的地产生连续变化的地址信号；址信号；f1f1为连续脉冲为连续脉冲CPCP，为便于视觉观察，输入频率一般应为，为便于视觉观察，输入频率一般应为1-1-10Hz10Hz；Q2Q2、Q1Q1、Q0Q0分别接到分别接到7413874138

7、的地址端的地址端A2A2、A1A1、A0A0；7计数译码型流水灯参考设计计数译码型流水灯参考设计2、译码器应用（在QuartusII中进行图形设计）Q2Q2、Q1Q1、Q0Q0接三个接三个JKJK触发器的触发器的Q Q端输出，接收前端端输出，接收前端计数器输出的地址信号；计数器输出的地址信号；Y0Y0、Y1Y1、Y7Y7与实验板上的与实验板上的LEDLED灯进行连接灯进行连接（在（在QuartusIIQuartusII下进行引脚锁定下进行引脚锁定），观察流水现象；），观察流水现象；8五、实验步骤五、实验步骤1.通过通过QuartusII建立一个新项目；建立一个新项目；2.建立项目时选建立项目时

8、选Cyclone系列（系列（family）的目标器件）的目标器件（devices）EP1C3T144C83.新建图形设计文件，调用相关元件，设计总体电路原理新建图形设计文件，调用相关元件，设计总体电路原理图，并编译通过；图，并编译通过；4.新建波形矢量文件，添加引脚端口并编辑激励波形，保新建波形矢量文件，添加引脚端口并编辑激励波形，保存该文件并执行时序仿真存该文件并执行时序仿真，观察并分析仿真结果。，观察并分析仿真结果。9QuartusII软件操作流程软件操作流程请同学们参照后面的步骤，提前做好预习，熟悉请同学们参照后面的步骤，提前做好预习，熟悉QuartusII软件的操作环境；软件的操作环境

9、；QuartusII软件可到实验中心网站上下载，要注意它软件可到实验中心网站上下载，要注意它的破解步骤。的破解步骤。10一、准备一、准备1、使用、使用QuartusII软件之前，请确保软件已正常破解软件之前，请确保软件已正常破解若启动若启动QuartusII时看到如下注册请求界面，则说明软件尚时看到如下注册请求界面，则说明软件尚未注册许可，需要进行认证后才能正常使用：未注册许可，需要进行认证后才能正常使用：11在在开始菜单开始菜单运行运行中输入命令：中输入命令：cmd，打开，打开MS-DOS命令窗；命令窗；在命令窗中输入：在命令窗中输入：ipconfig/all，回车后即列出本机物理地，回车后

10、即列出本机物理地址址physiccal address；用用写字板写字板或或记事本记事本打开本机打开本机QuartusII软件实际安装目录下软件实际安装目录下的的license.dat文件。如文件。如C:Altera license.dat使用使用“全部替换全部替换”功能将其中的功能将其中的所有的所有的Host ID替换为替换为本机本机实际的物理地址实际的物理地址即完成破解。即完成破解。（替换时需注意不能插入空格并去掉符号（替换时需注意不能插入空格并去掉符号“-”）保存文件并关闭，重启保存文件并关闭，重启Quartus，注册请求界面已消失。，注册请求界面已消失。12若注册请求界若注册请求界面还

11、未消失面还未消失请按请按左图左图选择选择在在下图下图中重设中重设文件指向路径文件指向路径2、Quartus II 6.0主界面操作环境主界面操作环境141、Project Navigator（工程管理器）（工程管理器）2、Message window（信息窗口）（信息窗口）2、Status window（状态窗口）（状态窗口）3、常用工具栏、常用工具栏15To reset views:1.Tools Customize Toolbars Reset All2.Restart Quartus II编译报告编译报告扩展控制按钮扩展控制按钮若若QuartusII界面上界面上一些默认的按钮被一些默认的

12、按钮被关闭，影响使用，关闭，影响使用，可按右边的操作步可按右边的操作步骤来复原骤来复原工程创建时的准备工作工程创建时的准备工作QuartusII通过通过“工程（工程（Project）”来管理设计文来管理设计文件，件，必须必须为此工程创建一个放置与此工程相关的为此工程创建一个放置与此工程相关的所有设计文件的文件夹；所有设计文件的文件夹；此此文件夹名不宜用中文文件夹名不宜用中文，也最好不要用数字，应，也最好不要用数字，应放到磁盘上容易找到的地方，不要放在软件的安放到磁盘上容易找到的地方，不要放在软件的安装目录中；装目录中；建立完工程文件夹后再进行后续操作建立完工程文件夹后再进行后续操作16二、在二

13、、在QuartusII6.0环境下建立工程环境下建立工程1、项目创建向导、项目创建向导17工程文件名，任取，建立工程文件名，任取，建立在用户自己的目录下，在用户自己的目录下，不不要使用软件的安装目录或要使用软件的安装目录或系统目录系统目录选择文件的存放路径选择文件的存放路径顶层实体名，一般和工程顶层实体名，一般和工程名相同名相同文件菜单文件菜单基于已有项目创建工程基于已有项目创建工程（一般（一般 不使用）不使用）设置完毕后单击设置完毕后单击“Next”2、为创建的工程添加设计文件、为创建的工程添加设计文件18添加用户的设计文件添加用户的设计文件-选中待添加的文件后点击选中待添加的文件后点击“A

14、dd”，若暂无文件，若暂无文件，直接点击直接点击“Next”设置完毕后单击设置完毕后单击“Next”3、器件选择、器件选择19选择选择FPGA器件型号器件型号选择选择FPGA器件所器件所属系列属系列实验开发板所使用的器件为实验开发板所使用的器件为ALtera公司公司Cyclone系列系列（Family）的的EP1C3T144C8（Avaliable devices）设置完毕后单击设置完毕后单击“Next”4、EDA 工具设置工具设置20选择第三方选择第三方EDA工具（如工具（如ModelSim、Synplify等）等）这里不需要，都不打勾这里不需要，都不打勾该步骤可单击该步骤可单击“Next”

15、直接跳过直接跳过5、完成、完成!21工程创建完毕，在工程管理器界工程创建完毕，在工程管理器界面出现所选用的器件系列、器件面出现所选用的器件系列、器件名及工程文件名名及工程文件名“CycloneII”；单击单击“Finish”，完成工程创建，完成工程创建综上所述，创建工程时的几个步骤如下综上所述，创建工程时的几个步骤如下（1）指定工程所在的工作库文件夹、工程名及设计）指定工程所在的工作库文件夹、工程名及设计实体名；实体名；（2）将设计文件加入工程中，若无设计文件直接跳）将设计文件加入工程中，若无设计文件直接跳过；过；（3）选择仿真器和综合器类型（默认）选择仿真器和综合器类型（默认“None”为选

16、为选择择QuartusII自带的）；自带的）；（4）选择目标芯片（开发板上的芯片类型）；）选择目标芯片（开发板上的芯片类型）；（5）工具设置，默认为都不选择，可直接跳过；）工具设置，默认为都不选择，可直接跳过；（6）完成创建。）完成创建。工程建立后，若需要新增设计文件，可以通过工程建立后，若需要新增设计文件，可以通过菜单菜单项项Project/Add_Remove在工程中添加新建立的在工程中添加新建立的设计文件，也可以删除不需要的设计文件。编译时设计文件，也可以删除不需要的设计文件。编译时将按此选项卡中列出的文件处理。将按此选项卡中列出的文件处理。2223三、在三、在QuartusII6.0工

17、程下建立设计文件工程下建立设计文件1、在、在File菜单下点击菜单下点击“New”，即弹出新建文件窗口，即弹出新建文件窗口QuartusII支持原理图输入、支持原理图输入、VHDL语言输入等语言输入等多种设计输入方式多种设计输入方式，后面以后面以原理图输入原理图输入（Block Diagram/Schematic File）为例介绍）为例介绍选此后单击选此后单击OK2、建立原理图设计文件、建立原理图设计文件24原理图编辑区绘图辅助工具工程文件名上图中，选择第二项：上图中，选择第二项：Block Diagram/Schematic File，点击点击ok后即得如下界面：后即得如下界面：3、调用参

18、数化元件（内置元件）、调用参数化元件（内置元件）在绘图区双击鼠标左键，即弹出添加元件的窗口在绘图区双击鼠标左键，即弹出添加元件的窗口25在此输入已知的在此输入已知的元件名，可以快元件名，可以快速地调出元件速地调出元件/端端口并预览口并预览点击点击“+”号可展号可展开查看查看库中开查看查看库中所有的元件所有的元件/端口端口分别输入分别输入“input”和和“74138”时时的预览窗口的预览窗口26输入输入74138，库里已有的，库里已有的元件会预览在这里元件会预览在这里输入输入INPUT，库里已有的，库里已有的端口符号会预览在这里端口符号会预览在这里单击单击OK，即可将预览的，即可将预览的端口符

19、号端口符号/元件元件放置放置在绘图区在绘图区绘图辅助工具栏介绍绘图辅助工具栏介绍271、画线及选择工具画线及选择工具2、文本工具、文本工具3、符号工具，点击后可调、符号工具，点击后可调出前面添加元件的窗口出前面添加元件的窗口4、窗口缩放工具窗口缩放工具5、窗口全屏显示，按、窗口全屏显示，按“ESC”退出退出注意：使用注意：使用窗口缩放工具窗口缩放工具按钮后，请按钮后，请切换回切换回画线及选择画线及选择工具工具按钮，才能对绘图进行编辑。按钮，才能对绘图进行编辑。其余工具按钮不常用，其余工具按钮不常用，这里不介绍这里不介绍选中后，右键放大，左键缩小选中后，右键放大，左键缩小从符号库中调出从符号库中

20、调出JKFF、74138、VCC、GND、INPUT、OUTPUT等符号等符号/端口，排放整齐端口，排放整齐;完成画线连接操作完成画线连接操作鼠标放到端点处，会自动变为鼠标放到端点处，会自动变为小十字形小十字形，按下左，按下左键拖动到目标处，释放后即完成本次画线操作键拖动到目标处，释放后即完成本次画线操作若要画折线，在转折处单击一次左键，继续拖动若要画折线，在转折处单击一次左键，继续拖动即可；即可；为为INPUT、OUTPUT端口命名端口命名：双击该输出端口，：双击该输出端口，在弹出的窗口中输入名称即可。在弹出的窗口中输入名称即可。2829完整的计数译码完整的计数译码8位流水灯参考逻辑图位流水

21、灯参考逻辑图30四、全程编译四、全程编译在下拉菜单在下拉菜单“Processing”中选择中选择“Start Compilation”，启动全程编，启动全程编译译编译完成后的编译完成后的信息报告窗口信息报告窗口关于全程编译关于全程编译启动全程编译：启动全程编译：选择选择Processing/Start Compilation,自动完成分析、排错、自动完成分析、排错、综合、适配、汇编及时序分析的全过程。综合、适配、汇编及时序分析的全过程。编译过程中，错误信息通过下方的信息栏指示（红色字编译过程中，错误信息通过下方的信息栏指示（红色字体）。体）。双击错误信息，可以定位到错误所在处，改正后再次进双击

22、错误信息，可以定位到错误所在处，改正后再次进行编译直至排除所有错误；行编译直至排除所有错误；编译成功后，会弹出编译报告，显示相关编译信息。编译成功后，会弹出编译报告，显示相关编译信息。31工程编译完成后，设计结果是否满足设计要求，可工程编译完成后，设计结果是否满足设计要求，可以通过时序仿真来分析；以通过时序仿真来分析；时序仿真主要包含如下的设置步骤：时序仿真主要包含如下的设置步骤：打开波形编辑器；打开波形编辑器；设置仿真时间区域；设置仿真时间区域；波形文件存盘；波形文件存盘；将端口节点信号选入波形编辑器中；将端口节点信号选入波形编辑器中；编辑输入波形（输入激励信号）；编辑输入波形（输入激励信号

23、）；总线数据格式设置总线数据格式设置启动仿真器启动仿真器观察仿真结果（波形编辑文件及产生的波形报告文件分观察仿真结果（波形编辑文件及产生的波形报告文件分开显示）开显示）若无法观察完整波形，可以使用热键若无法观察完整波形，可以使用热键Ctrl+W,即可看到完即可看到完整的仿真波形。也可使用鼠标左右键，方法如下：整的仿真波形。也可使用鼠标左右键，方法如下：32选中后，右键放大，左键缩小选中后，右键放大，左键缩小顺顺序序并并不不是是唯唯一一的的五、时序仿真五、时序仿真1、建立波形矢量文件（左图），并进行保存；、建立波形矢量文件（左图），并进行保存；2、添加引脚节点、添加引脚节点33添加引脚节点（续）

24、添加引脚节点（续）34在在Filter下选择下选择“Pins：unassigned”，再单击，再单击“List”，列出引脚端口，列出引脚端口”在在Nodes Found下方的列下方的列表下选择所列出表下选择所列出的端口，将其拖的端口，将其拖放到波形文件的放到波形文件的引脚编辑区引脚编辑区3、设置仿真时间长度、设置仿真时间长度35默认为默认为1us，这里将其设置为，这里将其设置为100us4、设置仿真时间周期、设置仿真时间周期36默认为默认为10ns，由于竞争冒险的存，由于竞争冒险的存在，在仿真时信号波形和大量毛在，在仿真时信号波形和大量毛刺混叠在一起，影响仿真结果刺混叠在一起，影响仿真结果因此

25、，这里设置为因此，这里设置为500ns5、编辑输入端口信号、编辑输入端口信号37窗口缩放（左键放窗口缩放（左键放大，右键缩小）大，右键缩小）已编辑好的时钟波形已编辑好的时钟波形选中选中CP后，点击后，点击此符号，直接编此符号，直接编辑周期脉冲信号辑周期脉冲信号6、启动时序仿真、启动时序仿真38分析波形可见，与分析波形可见，与74LS138功能真值表一致，结果正确功能真值表一致，结果正确低电平看做灯灭，低电平看做灯灭，高电平看做灯亮。高电平看做灯亮。窄尖峰为冒险引起，窄尖峰为冒险引起，不影响逻辑功能。不影响逻辑功能。完成上一个仿真后，请自行设计移存型流水灯，并进完成上一个仿真后，请自行设计移存型流水灯，并进行仿真验证。行仿真验证。希望大家通过本次实验，上手并熟练掌握希望大家通过本次实验，上手并熟练掌握QuartusII的使用。的使用。