【FPGA】Verilog：组合电路设计 | 三输入

【FPGA】Verilog：组合电路设计 | 三输入 | 多数表决器

news2024/11/24 11:25:13

前言：本章内容主要是演示Vivado下利用Verilog语言进行电路设计、仿真、综合和下载的示例：表决器（三人表决器）。

功能特性：采用 Xilinx Artix-7 XC7A35T芯片
配置方式：USB-JTAG/SPI Flash
高达100MHz 的内部时钟速度
存储器：2Mbit SRAM N25Q064A SPI Flash（样图旧款为N25Q032A）
通用IO：Switch ：x8LED：x16Button：x5DIP：x8 通用扩展IO：32pin
音视频/显示： 7段数码管：x8 VGA视频输出接口 Audio音频接口
通信接口：UART：USB转UART Bluetooth：蓝牙模块
模拟接口： DAC：8-bit分辨率 XADC：2路12bit 1Msps ADC

Ⅰ. 前置知识

0x00 表决器

0x01 真值表表示

0x02 卡诺图表示

0x03 逻辑表达式：

Ⅱ. Verilog实现

0x00 新建工程并添加的IP包

0x01 利用IP器件创建电路

0x02 Test Bench——添加仿真激励文件

0x03 仿真记录与分析

Ⅲ. 解释说明

Ⅰ. 前置知识

0x00 表决器

以三人表决器为例说明多人表决电路的原理。

设三人表决器中输入为A、B、C，同意用1表示，不同意用0表示。输出为F，A、B、C三者中多数同意，提案通过，否则提案不被通过；通过用1表示，不通过用0表示。

0x01 真值表表示

输入			输出
A	B	C	F
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

0x02 卡诺图表示

0x03 逻辑表达式

过程：写输出表达式即把输出结果为一的输入相加。如上F的一的有四个，把结果为一对应的输入写出即可,再化简，可通过卡诺图以及逻辑表达式化简。

可用狄摩根律转化为与非形式

若此步有不清楚的可留言

Ⅱ. Verilog实现

在本次Verilog实现表决器的功能中，我们学习如何利用他人封装好的组件型IP器件进行设计，故选择为工程添加所需IP包的方法。

0x00 新建工程并添加的IP包

在工程settings中IP的Repository中选择所需IP包的存放目录

点击Select，在图所示对话框中点击ok

Repositories自动更新如图：

点击OK完成IP包的添加

0x01 利用IP器件创建电路

点击Flow Navigator中的IP INTEGRATOR下Create Block Design，为电路设计命名：

点击OK后工程自动更新至如图：

在Diagram窗中点击按钮，添加IP器件。

根据原理中的F=AB+BC+CA，本实验添加两种基本器件：AND和OR，

如图：

完成后Design窗自动更新至下图效果：

在Diagram窗，完成器件添加

之后添加基本引脚：

增加输入引脚3个，命名自拟

可以为A、B、C，输出1个，可以命名为F。

完成连线，如图：

点击检查布线的正确性

另外，可点击可以自动优化布线，但这一步并不是必须的

可得出下图：

点击【保存】按钮，保存电路设计文件：

在Sources栏可以看到新增的文件如图：

点击该新增文件，如图：

点击Create HDL Wrapper菜单。利用默认项，可让Vivado自动生成代码，如图：

Source栏会自动更新至如图效果：

0x02 Test Bench——添加仿真激励文件

`timescale 1ns / 1ps
module sim4Second( );
reg inA;reg inB;reg inC;
wire outF;
IPdesign_Second_wrapper test(.A(inA),.B(inB),.C(inC),.F(outF));
always begin
            inA = 0;inB = 0;inC=0;   #100;
            inA = 0;inB = 0;inC=1;   #100;
            inA = 0;inB = 1;inC=0;   #100;
            inA = 0;inB = 1;inC=1;   #100;
            inA = 1;inB = 0;inC=0;   #100;           
            inA = 1;inB = 0;inC=1;   #100;
            inA = 1;inB = 1;inC=0;   #100;
            inA = 1;inB = 1;inC=1;   #100;
        end
endmodule

0x03 仿真记录与分析

		输入			输出
周期	时间	A	B	C	F
1	0-100ns	0	0	0	0
2	100ns-200ns	0	0	1	0
3	200ns-300ns	0	1	0	0
4	300ns-400ns	0	1	1	1
5	400ns-500ns	1	0	0	0
6	500ns-600ns	1	0	1	1
7	600ns-700ns	1	1	0	1
8	700ns-800ns	1	1	1	1

Ⅲ. 解释说明

本篇博客旨在学习如何利用他人封装好的组件型IP器件进行设计，从而理解在vivado中，Block Design仅仅是用以设计的直观，最终还是需要生成Verilog等硬件描述语言后才能进一步完成后续设计。

同时，本实验中，生成的IPdesign_Second_wrapper这个module其实是调用了IPdesign_Second，这种调用属于模块化设计方法，因此仿真激励文件中语句IPdesign_Second_wrapper test(参数); 其实信号会继续传递给IPdesign_Second 子模块; 请在仿真界面中调出不同模块的引脚波形进行观察理解。

若不使用导入IP包的方法，设计文件可书写如下：

`timescale 1 ps / 1 ps

module design_1_wrapper(A,B,C,F);
  input A;
  input B;
  input C;
  output F;

  wire A;
  wire B;
  wire C;
  wire F;

  design_1 design_1_i (.A(A),.B(B), .C(C),.F(F));
endmodule