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1、实验三：基于QuartusII原理图的流水灯设计及仿真,一、实验目的,掌握EDA集成工具软件Quartus II的使用；了解基于PLD的EDA设计流程；熟悉使用QuartusII原理图方式进行数字逻辑电路设计的方法；熟练掌握使用QuartusII对逻辑电路进行仿真。,2,二、实验设备,计算机,3,三、实验原理,流水灯是一种效果灯光，它通过按固定的规律将LED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，用逻辑电路控制8个LED灯，始终保持7亮1暗，在脉冲信号CP的推动下循环流动；将灯亮用1表示，灯灭用0表示；,1二进制译码器结合计数器实现,使用八进制计数器产生74LS138地址端所需的
2、8个地址信号，将计数输出Q0、Q1、Q2分别接入74LS138的A0、A1、A2，为计数器提供低频连续脉冲CP，即可在74LS138的8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3个JK或D触发器先组成T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可用来控制LED灯按照设计的顺序节拍进行变化，从而实现流水效果。74LS194是双向4位移位寄存器，为了控制8个灯，可以将2片74LS194级联后构成8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，然后再切换回移位状态，这需要对74LS194的M1、M0模式控制
3、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，电路采用8灯结构，8个灯按7亮1暗的规律循环流动，步骤要求如下：（1）在Quartus II软件环境下，采用原理图方式，完成逻辑电路设计。（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试，电路采用8灯结构，8个灯按1亮7暗的规律循环流动。设计的步骤要求同上。,6,四、实验内容和要求
4、,1、异步模八计数器设计（在QuartusII中画图）,由JKT构成异步模八计数器为74LS138产生连续变化的地址信号；f1为连续脉冲CP，为便于视觉观察，输入频率一般应为1-10Hz；Q2、Q1、Q0分别接到74138的地址端A2、A1、A0；,7,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）,Q2、Q1、Q0接三个JK触发器的Q端输出，接收前端计数器输出的地址信号；Y0、Y1、Y7与实验板上的LED灯进行连接（在QuartusII下进行引脚锁定），观察流水现象；,8,五、实验步骤,1.通过QuartusII建立一个新项目；2.建立项目时选Cyclone系
5、列（family）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，保存该文件并执行时序仿真，观察并分析仿真结果。,9,QuartusII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QuartusII软件的操作环境；QuartusII软件可到实验中心网站上下载，要注意它的破解步骤。,10,一、准备,1、使用QuartusII软件之前，请确保软件已正常破解若启动QuartusII时看到如下注册许可界面，则说明软件尚未注册许可，需要进行认证后才能正常使用：开始菜单运行中
6、输入命令：cmd，打开dos命令窗；在命令窗中输入：ipconfig/all，即列出本机物理地址physiccal address；用记事本打开本机D:Altera目录下的License.Dat文件，将其中的Host ID替换为本机的物理地址即完成破解。（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Quartus，注册许可界面已消失。,11,2、Quartus II 6.0主界面操作环境,12,1、Project Navigator（工程管理器）,2、Message window（信息窗口）,2、Status window（状态窗口）,3、常用工具栏,13,To reset
7、views:Tools Customize Toolbars Reset AllRestart Quartus II,编译报告,扩展控制按钮,若QuartusII界面上一些默认的按钮被关闭，影响使用，可按右边的操作步骤来复原,工程创建时的准备工作,QuartusII通过“工程（Project）”来管理设计文件，必须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；此文件夹名不宜用中文，也最好不要用数字，应放到磁盘上容易找到的地方，不要放在软件的安装目录中；建立完工程文件夹后再进行后续操作,14,二、在QuartusII6.0环境下建立工程,1、项目创建向导,15,工程文件名，任取，建立在
8、用户自己的目录下，不要使用软件的安装目录或系统目录,选择文件的存放路径,顶层实体名，一般和工程名相同,文件菜单,基于已有项目创建工程（一般 不使用）,设置完毕后单击“Next”,2、为创建的工程添加设计文件,16,添加用户的设计文件选中待添加的文件后点击“Add”，若暂无文件，直接点击“Next”,设置完毕后单击“Next”,3、器件选择,17,选择FPGA器件型号,选择FPGA器件所属系列,实验开发板所使用的器件为ALtera公司Cyclone系列（Family）的EP1C3T144C8（Avaliable devices）,设置完毕后单击“Next”,4、EDA 工具设置,18,选择第三方
9、EDA工具（如ModelSim、Synplify等）这里不需要，都不打勾,该步骤可单击“Next”直接跳过,5、完成!,19,工程创建完毕，在工程管理器界面出现所选用的器件系列、器件名及工程文件名“CycloneII”；,单击“Finish”，完成工程创建,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、工程名及设计实体名；（2）将设计文件加入工程中，若无设计文件直接跳过；（3）选择仿真器和综合器类型（默认“None”为选择QuartusII自带的）；（4）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；（6）完成创建。工程建立后，若需要新
10、增设计文件，可以通过菜单项Project/Add_Remove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。编译时将按此选项卡中列出的文件处理。,20,21,三、在QuartusII6.0工程下建立设计文件,1、在File菜单下点击“New”，即弹出新建文件窗口,QuartusII支持原理图输入、VHDL语言输入等多种设计输入方式，后面以原理图输入（Block Diagram/Schematic File）为例介绍,选此后单击OK,2、建立原理图设计文件,22,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：Block Diagram/Schematic File，点击
11、ok后即得如下界面：,3、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,23,在此输入已知的元件名，可以快速地调出元件/端口并预览,点击“+”号可展开查看查看库中所有的元件/端口,分别输入“input”和“74138”时的预览窗口,24,输入74138，库里已有的元件会预览在这里,输入INPUT，库里已有的端口符号会预览在这里,单击OK，即可将预览的端口符号/元件放置在绘图区,绘图辅助工具栏介绍,25,1、画线及选择工具,2、文本工具,3、符号工具，点击后可调出前面添加元件的窗口,4、窗口缩放工具,5、窗口全屏显示，按“ESC”退出,注意：使用窗口缩放工具按钮后，请切
12、换回画线及选择工具按钮，才能对绘图进行编辑。,其余工具按钮不常用，这里不介绍,从符号库中调出74138、VCC、GND、INPUT、OUTPUT等符号/端口，排放整齐;完成画线连接操作（鼠标放到端点处，会自动变为小十字形，按下左键拖动到目标处，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，继续拖动即可；为OUTPUT端口命名：双击该输出端口，在弹出的窗口中输入名称即可。,26,网络标号,自定义的端口名,重复上述步骤，依次输入JKFF、INPUT，按下图进行连接，完成分频器及计数器电路设计；使用网络标号关联2个原理图：,27,如何添加网络标号：在需要添加网路标号的连线上单击右键，
13、弹出的菜单上选择“Properties”后输入网络标号即可,网络标号用来实现将两根未连通的线进行“不画线”的连接,28,四、全程编译,在下拉菜单“Processing”中选择“Start Compilation”，启动全程编译,编译完成后的信息报告窗口,关于全程编译,启动全程编译：选择Processing/Start Compilation,自动完成分析、排错、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（红色字体）。双击错误信息，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；编译成功后，会弹出编译报告，显示相关编译信息。,29,工程编译完成后，设计
14、结果是否满足设计要求，可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：打开波形编辑器；设置仿真时间区域；波形文件存盘；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）；总线数据格式设置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开显示）若无法观察完整波形，可以使用热键Ctrl+W,即可看到完整的仿真波形。也可使用鼠标左右键，方法如下：,30,顺序并不是唯一的,五、时序仿真,1、建立波形矢量文件（左图）；2、添加引脚节点,31,添加引脚节点（续）,32,在Filter下选择“Pins：unassigned”，再单击“List”，列出引脚端口”,在Nodes Fo
15、und下方的列表下选择所列出的端口，将其拖放到波形文件的引脚编辑区,3、设置仿真时间长度,33,默认为1us，这里将其设置为100us,4、设置仿真时间周期,34,默认为10ns，由于竞争冒险的存在，在仿真时信号波形和大量毛刺混叠在一起，影响仿真结果因此，这里设置为500ns,5、编辑输入端口信号,35,窗口缩放（左键放大，右键缩小）,已编辑好的时钟波形,选中CP后，点击此符号，直接编辑周期脉冲信号,6、启动时序仿真,36,分析波形可见，与74LS138功能真值表一致，结果正确,低电平看做灯灭，高电平看做灯亮。,窄尖峰为冒险引起，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，并进行仿真验证。希望大家通过本次实验，上手并熟练掌握QuartusII的使用。,
