EDA工程实践作业习题.docx

EDA工程实践作业习题

 1.试述在系统编程的主要步骤。
 2.电路在设计之前为什么首先要建立工程，目的是什么？
 3.何谓层次化设计，它的优点是什么？
 4.菊花链下载软件的作用是什么？
 5.用逻辑输入法设计一个八进制加法器。
 6.用VHDL语言设计一串行数据检测器。
7.用混合输入法设计一交通指挥灯，红、黄、绿三盏灯依次点亮的时间间隔为红30秒，黄10秒，绿30秒，黄10秒，红30秒……。输入时钟为20ns。
 8.设计一个60进制计数器，并写出测试向量。
 9.设计一个{1101}序列检测器。
 10.试设计一个数字钟，能显示年、月、日或切换显示时、分、秒，并能实现年、月、日和时、分、秒的校正。
 11.设计一个频率计。要求能够测量1000Hz～10Mz的信号频率。
 12. 按照下列要求设置一张电路图纸：图纸尺寸为A4号，水平放置，图纸标题栏采用标准型。
13.在命令状态下，放大、缩小和刷新画面的快捷键分别是什么？
14. 可见栅格、锁定栅格和电路栅格的作用分别是什么？如何对它们进行设定？
15.怎样使一组图件同时实现两种排列和均匀分布？
16. 简述原理图元件库绘图工具栏中各个按钮的作用，并指出与这些按钮相对应的菜单命令。
17. 查看并熟练掌握如下常用元器件的封装。
三极管：以TO-+数字封装，例如：TO-18。
可变电阻：以VR+数字封装，例如：VR5。
无极性电容：以RAD +数字封装，例如：RAD0.2。
有极性电容：以RB. 数字/.数字封装，例如：RB.4/.8。
单列直插器件(即电路图中的连接器)：以SIP+数字封装，例如：SIP4。
电阻类：以AXIAL+数字封装，例如：AXIAL0.3。
二极管：DIODE +数字封装，例如：DIODE0.4。
双列直插器件：以DIP+数字封装，例如：DIP14。
晶振：XTAL1封装。
电源引线：常用POWER+数字封装，例如：POWER4。
TTL门电路、555定时器：常用双列直插器件封装。
无极性电容：以RAD +数字 表示
有极性电容：以RB.2/.4等等 表示
单列直插器件(即电路图中的连接器)：以SIP +数字 表示
电阻类：以AXIAL +数字 表示
二极管：DIODE +数字 表示
双列直插器件：以DIP +数字
晶振：XTAL1
电源引线常用POWER+数字 表示
TTL门电路、555定时器，常用双列直插器件封装
存储器实验与实践
1、FPGA中LPM_ROM配置与读出实验
一．实验目的
1、掌握FPGA中lpm_ROM的设置，作为只读存储器ROM的工作特性和配置方法。
2、用文本编辑器编辑mif文件配置ROM，学习将程序代码以mif格式文件加载于lpm_ROM中；
3、在初始化存储器编辑窗口编辑mif文件配置ROM； 4、验证FPGA中mega_lpm_ROM的功能。
二．实验原理
ALTERA的FPGA中有许多可调用的LPM (Library Parameterized Modules)参数化的模块库，可构成如lpm_rom、lpm_ram_io、lpm_fifo、lpm_ram_dq的存储器结构。CPU中的重要部件，如RAM、ROM可直接调用他们构成，因此在FPGA中利用嵌入式阵列块EAB可以构成各种结构的存储器，lpm_ROM是其中的一种。lpm_ROM有5组信号：地址信号address[ ]、数据信号q[ ]、时钟信号inclock、outclock、允许信号memenable，其参数都是可以设定的。由于ROM是只读存储器，所以它的数据口是单向的输出端口，ROM中的数据是在对FPGA现场配置时，通过配置文件一起写入存储单元的。图2-1-1中的lpm_ROM有3组信号：inclk——输入时钟脉冲；q[23..0]——lpm_ROM的24位数据输出端；a[5..0]——lpm_ROM的6位读出地址。
实验中主要应掌握以下三方面的内容：
（1）lpm_ROM的参数设置； （2）lpm_ROM中数据的写入，即LPM_FILE初始化文件的编写；
（3）lpm_ROM的实际应用，在GW48_CPP实验台上的调试方法。
三．实验步骤
（1）用图形编辑Graphic Editer，进入max2lib\mega_lpm元件库，调用lpm_rom元件，设置地址总线宽度address[]和数据总线宽度q[]，分别为6位和24位,并添加输入输出引脚，如图2-1-1设置和连接。
（2）在设置lpm_rom数据参数选择项lpm_file的对应窗口中，用键盘输入lpm_ROM配置文件的路径。
(3)用初始化存储器编辑窗口编辑lpm_ROM配置文件（文件名.mif）。原理图输入完成后，打开仿真器窗口Simulator，选择Initialize菜单中的Initialize Memory 选项，并在此编辑窗口中完成ROM数据的编辑，然后按Export File键，将文件以mif后缀存盘，文件名如图2-1-1所示是rom_a.mif。
（4）编译顶层工程原理图文件（文件名.gdf）。rom_a.mif中的数据恰好是后面要用的微指令码
（5）下载SOF文件至FPGA，改变lpm_ROM的地址a[5..0]，外加读脉冲，通过实验台上的数码管比较读出的数据是否与初始化数据一致。
注，验证程序文件在LPM_ROM_DEMO4目录，工程名是2lpm_rom.gdf，下载2lpm_rom.sof至实验台上的FPGA，选择实验电路模式仍为NO.0，24位数据输出由数码8至数码3显示，6位地址由键2、键1输入，键1负责低4位，时钟CLK由键8控制。发光管8至1显示输入的6位地址值。

图2-1-1 lpm_ROM的结构图
四．实验要求
(1)实验前认真复习LPM-ROM存储器部分的有关内容。 (2)记录实验数据，写出实验报告，给出仿真波形图。 (3)通过本实验，对FPGA中EAB构成的LPM-ROM存储器有何认识，有什么收获？

图2-1-2 lpm_ROM的配置
五．思考题
（1）如何在图形编辑窗口中设计LPM-ROM存储器？怎样设计地址宽度和数据线的宽度？怎样导入LPM-ROM的设计参数文件和存储LPM-ROM的设计参数文件？
（2）怎样对LPM-ROM的设计参数文件进行软件仿真测试？（3）怎样在GW48实验台上对LPM-ROM进行测试？（4）学习LPM-ROM用VHDL语言的文本设计方法（顶层文件用VHDL表达）。
（5）了解LPM-ROM存储器占用FPGA中EAB资源的情况。
2．LPM_RAM_DP双端口RAM实验
一．实验目的
1、了解FPGA中双口lpm_ram_dp的功能， 2、掌握lpm_ram_dp的参数设置和使用方法，
3、掌握lpm_ram_dp作为随机存储器RAM的工作特性和读写方法。
二．实验原理
在FPGA中利用嵌入式阵列块EAB可以构成存储器，lpm_ram_dp的结构如图2-2-1。数据从ram_dp的左边D[7..0]输入，从右边Q[7..0]输出，R/W——为读/写控制信号端。数据的写入：当输入数据和地址准备好以后，在CLK信号上升沿到来时，数据写入存储单元。数据的读出：从A[7..0]输入存储单元地址，在CLK信号上升沿到来时，该单元数据从Q[7..0]输出。为了便于使用实验台上的键盘输入数据，在lpm_ram_dp与键盘之间加了4个计数器，按一次键计数器加1，计数值由按键上方对应的数码管显示。
R/W——读/写控制端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；
CLK——读/写时钟脉冲； DATA[7..0]——RAM-dp的8位数据输入端；
A[7..0]——RAM的读出和写入地址； Q[7..0]——RAM-dp的8位数据输出端。
三．实验步骤
（1）按图2-2-2输入电路图。并进行编译、引脚锁定、FPGA配置。
（2）通过键1、键2输入RAM的8位数据（选择实验电路模式1），键3、键4输入存储器的8位地址。键8控制读/写，高电平时读允许，低电平时写允许；键7（CLK0）产生读/写时钟脉冲，即生成读地址和写地址锁存脉冲。对lpm_ram_dp进行写/读操作。
（3）在simulator窗口下，用Initialize Memory生成mif初始化数据，下载后进入RAM作为初始数据。
注，验证程序文件在DEMO5_lpm_ram目录，工程名是ram_dp1.gdf，下载ram_dp1.sof至实验台上的FPGA，选择实验电路模式为NO.1，按以上方式首先进行验证实验。首先控制读出初始化数据，与载入的初始化文件ram_dp1.mif中的数据进行比较，然后控制写入一些数据，再读出比较。
四．实验要求
(1)实验前认真复习运算器和存储器部分的有关内容；(2)写出实验报告。
五．思考题与实验题
（1）如何在图形编辑窗口中设计lpm_ram_dp存储器？怎样设定地址宽度和数据线的宽度？设计一数据宽度为6，地址线宽度为7的RAM，仿真检验其功能，并在FPGA上进行硬件测试。
（2）怎样在simulator窗口下，用Initialize Memory 功能对lpm_ram_dp数据初始化，如何导入和存储lpm_ram_dp参数文件？生成一个mif文件，并导入以上的RAM中。（3）怎样对lpm_ram_dp设计参数文件进行软件仿真测试？（4）使用VHDL文件作为顶层文件，学习lpm_ram_dp的VHDL语言的文本设计方法。（5）了解lpm_ram_dp存储器占用FPGA中EAB资源的情况。
（6）lpm_ram_dp存储器在CPU中有何作用？

图2-2-1 lpm_ram_dp的结构图

图2-2-2 lpm_ram_dp实验电路图
3． FIFO读/写实验
一．实验目的
1、掌握FPGA中先进先出存储器lpm_fifo的功能，工作特性和读写方法。
2、了解FPGA中lpm_fifo的功能，掌握lpm_fifo的参数设置和使用方法，
3、掌握lpm_fifo作为先进先出存储器FIFO的工作特性和读写方法。
二．实验原理
FIFO（First In First Out）是一种存储电路，用来存储、缓冲在两个异步时钟之间的数据传输。使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地实时传输数据。在网络接口、图像处理、CPU设计等方面，FIFO具有广泛的应用。在FPGA中利用嵌入式阵列块EAB可以构成存储器，lpm_fifo的结构如图2-3-1所示。

图2-3-1 lpm_fifo的实验结构图
WR — 写控制端，高电平时进行写操作； RD — 读控制端，高电平时进行读操作；
CLK — 读/写时钟脉冲； CLR — FIFO中数据异步清零信号；
D [7..0] — lpm_fifo的8位数据输入端； Q[7..0] — lpm_fifo的8位数据输出端;
U[7..0] — 表示lpm_fifo已经使用的地址空间。

图2-3-2 lpm_fifo的仿真波形图
三．实验步骤
1．编辑输入lpm_fifo实验电路（双击原理图2-3-1的FIFO元件，可进入该元件的编辑窗）。
2．将编译通过的文件下载到GW-48CPP实验台，实验台选择工作模式NO.0；
3．通过实验台上的KEY1、KEY2输入数据，键3控制写允许WR、键4控制读允许RD、键7控制数据清0、键8输入CLK信号，首先将数据写入LPM-FIFO。
4．在RD、CLK信号作用下，读出LPM-FIFO中数据，再读出比较，并观察U[7..0]的变化。
注，验证程序文件在DEMO6_lpm_fifo目录，工程名是fifo2.gdf，下载fifo2.sof至实验台上的FPGA，选择实验电路模式为NO.0，按以上方式首先进行验证实验。
四．实验要求
1．实验前认真复习LPM-FIFO存储器部分的有关内容。
2．完成FIFO设计和验证，给出仿真波形图，增加“空”、“未满”、“满”的标志信号，写出实验报告。
五．思考题与实验题
1．通过本实验，对FPGA中EAB构成的LPM-FIFO存储器有何认识，有什么收获？
2．如何了解lpm_fifo存储器占用FPGA中EAB资源的情况？
3．lpm_fifo存储器在CPU设计中有何作用？当lpm_fifo“空”、“未满”、“满”时，full、empty和usedw[7..0]d的输出信号如何变化？
4．怎样通过波形仿真了解LPM-FIFO存储器的功能？
5．如何设置LPM-FIFO存储器各项参数？
4． FPGA与外部RAM接口实验
一．实验目的
1．掌握FPGA与外部RAM的硬件接口技术； 2．通过FPGA控制，向外部RAM写入数据；
3．通过FPGA控制，从外部RAM读出数据，并且用数码管显示读出的数据。
二．实验原理
用FPGA与外部RAM接口，实现对外部RAM的读写控制。FPGA需要产生地址信号和读写控制信号，并且需要采用具有双向I/O功能的电路结构，实现对SRAM 数据端口输入/输出操作。接口电路主要由可增减地址计数器LPM_COUNTER、三态总线控制器LPM_BUSTRI、读写控制电路组成。实验电路结构如图2-4-1所示，外部RAM芯片为SRAM6264，存储容量为8KB。实验台选择模式NO.4电路结构。图2-4-1中FPGA与外部RAM端口信号以及实验台的控制信号定义如下： 输入信号：
CLK — 地址计数器计数脉冲输入端。通过K8输入(按两次键产生一个脉冲)。
CLR — 地址计数器复位信号输入端。由K7控制，高电平有效（注意，键7产生单脉冲信号）。

图2-5-1 EEPROM 28C64引脚图
DATA[7..0] — RAM数据输入端，通过键2/键1：K1、K2输入（输入十六进制值显示在数码管2/数码管1上）。
R/W — RAM读/写控制信号输入端。当R/W=0时，RAM输出允许；当R/W=1时，向RAM写数据允许，由单脉冲发生键6 ，K6控制。
输出及双向信号：
A[12..0] — FPGA输出的地址信号，由计数器LPM_COUNTER产生，与RAM地址线A9~A0相连。
D[7..0] — FPGA与RAM数据口之间的双向数据总线D7~D0。
OE — RAM数据输出允许控制信号，低电平有效。
WE — RAM数据写入控制信号，低电平有效。
LED[7..0] — 实验台上数码6、数码5，显示来自RAM的输出数据。
L[7..0] — 实验台上数码8、数码7，显示FPGA输送给RAM的地址信号的低8位。
注，验证程序文件在DEMO7_ram6264_EEPROM2864目录，工程文件是2864-b.gdf，下载2864-b.sof至实验台上的FPGA，选择实验电路模式为NO.4，按以下方式进行验证实验。
三．实验步骤
1．在实验台目标板上EEPROM/RAM插座中接SRAM6264芯片；
2．编辑、输入FPGA与外部RAM接口电路图；
3．将编译通过的文件（或验证程序下载文件2864-b.sof）下载到GW-48CPP实验台，实验台选择工作模式NO.4，参考实验讲义；
4．数据写入SRAM 6264
（1）利用键2，键1在RAM口放置数据，如5BH（显示于数码管2/1）；按动一次或多次键8，输入希望的地址值（显示于数码管8/7）；
（2）按动键6，即于RAM的WE端产生一个低电平脉冲；
（3）如果操作无误，这时应该在数码管6/5上显示已被写入的数据（如5BH），因为此时RAM的OE端的电平是0，正处于读数据电平。
（4）重复（1）—（3），依次写入数据。
5．读出外部RAM6264中数据
（1）按动键7，对地址计数器LPM_counter清0；
（2）连续按动键8，递增地址值，依次顺序读出外部RAM6264中已写入的数据，与输入数据进行比较。
四．实验报告
(1)实验前认真复习CPU与存储器接口部分的有关内容；(2)写出实验预习报告；
五．思考题
1．FPGA如何与外部存储器双向数据总线接口？FPGA采用怎样的电路结构、如何控制双向数据口的数据输入/输出？
2．若要对任意指定存储单元进行读写，图2-4-1电路应如何修改？请在实验台上验证所设计的功能。
3．通过本实验，对CPU与外部存储器接口电路设计有何认识，有什么收获？
4．在计算机外部存储器的读写时序是怎样的？怎样使FPGA满足对外部RAM的读/写时序要求？

图2-4-1 FPGA与外部RAM6264/EEPROM28C64接口电路结构

图2-4-2 FPGA与外部16位数据，18位地址线宽SRAM接口电路结构
六．16位SRAM读写逻辑设计
如果要设计16位数据总线的CPU，又要用到大容量的RAM，就必须外接具有16位数据口的RAM。
在实验板上与FPGA相接有一片256K字节的16位RAM：IDT71V416，电路连接如图2-4-3所示，他的FPGA读写控制电路原理图如图2-4-2所示。实验验证步骤如下：
1、验证程序文件在DEMO8_sram16b目录，工程文件是sram.gdf，下载sram.sof至实验台上的FPGA，选择实验电路模式为NO.1；用一接插线将适配板上的P198针与键9的插针相接，键9作为清0控制端。
2、利用键4、键3、键2、键1输入数据，放在RAM数据口，如ABCDH（显示于数码管4/3/2/1）；
3、按动键9，对地址信号发生计数器清0，键7置0，使处于读RAM状态；
4、按动1次或多次键8，输入希望的地址值（显示于发光管D8—D1，左为高位）；
5、按动读写控制键7，使其从0 à 1 à 0 ，即 读 à 写 à 读，如果操作无误，这时应该在数码管8/76/5上显示已被写入的数据（如ABCDH），因为此时RAM的OE端的电平是0，正处于读数据电平，
6、重复（2）—（5），依次写入数据。
7、按动键9，对地址信号发生计数器清0，之后连续按键8，递增地址值，将能依次顺序（显示于数码8/7/6/5上）读出外部16位RAM中已写入的数据，与输入数据进行比较。

图2-4-3 16位SRAM和6264电路原理图
5．FPGA与外部EEPROM接口实验
一．实验目的
1．掌握FPGA与外部EEPROM的硬件接口技术；
二．实验原理
与上一实验FPGA与外部RAM接口实验不同的地方是，RAM是随机存储器，掉电以后RAM中数据会丢失，而EEPROM是可以电改写的只读存储器（图2-5-1），工作时可以改写其中的数据，掉电以后EEPROM中数据不会丢失。FPGA中的接口控制电路结构与上一实验基本相同，但外部存储器芯片由RAM6264改为EEPROM 28C64。由于EEPROM 28C64的写入时间比SRAM的时间长，因此在向28C64写入数据时CLK0的工作频率需适当降低。电路结构中的CLK0与实验台的CLOCK0时钟频率相连接，CLOCK0可选择16kHz~64kHz。从EEPROM中读数据时，其工作速度与读RAM的速度相同。
对28C64的读写可以使用以上给出的对6264完全相同的控制逻辑电路（DEMO7_ram6264_EEPROM2864目录，工程文件是2864-b.gdf）。需要特别注意的是，与RAM的写时序略有不同，若要将在2864数据线口上的数据写入此时对应的地址单元中，必须在2864的写控制端WE，施加一个低电平脉冲，即：1 à 0 à 1； 0的时间延迟是2864对数据的烧写时间，约10ms。普通RAM则不必如此，只要将WE始终置0，改变地址值，就能将数据连续写入RAM对应的地址单元中。
三．实验步骤
1．在实验台的目标板的EEPROM/RAM插座中接EEPROM 28C64芯片；其余，同上一实验。