数字电路二位数值比较器.doc

数学与计算机学院

2位数值比较器报告书

09级计1：
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数字电子技术基础

课程设计报告书

题目：2位数值比较器
姓名：
班级：
指导教师：
设计时间：2011年3月— 7月
民族大学数学与计算机学院

一、背景和编写目的
随着时代的进步，社会的发展，科学技术的进步，我们会在很多地方用到比较器，比如，在体育竞技场地对一些选手的成绩进行比较，选出他们中的成绩优异者；我们为了比较一下不同物品的参数，我们可以利用一些科学技术来实现这些功能，使得我们的工作效率得以提高，减少了我们认为的工作量。
本次设计的目的就是通过实践掌握数字电路的分析方法和设计方法，了解了解EDA技术和maxplus2软件并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想。以数字电子技术基础为指导，通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识和基本单元电路的综合设计应用。通过对比较器的设计，巩固和综合运用所学知识，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。
比较器有2位数比较器，4位数比较器，8位数比较器等多种。本课程设计就是两位数比较器，可以实现2位二进制数值的比较。
二、EDA和VHDL的介绍
EDA技术
EDA技术的概念
EDA是电子设计自动化(E1echonics Des5p AM•toM60n)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异。从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。
EDA技术的特点
采用可编程器件，通过设计芯片来实现系统功能。采用硬件描述语言作为设计输入和库(LibraLy)的引入，由设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作故在芯片的设计中进行。由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，有效增强了设计的灵活性，提高了工作效率。并且可减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高了系统的性能和可靠性。能全方位地利用计算机自动设计、仿真和调试。 VHDL语言
VHDL语言的简介
VHDL语言是一种用于电路设计的高级的硬件描述语言。其主要是应用在数字电路的设计中。在一些实力较为雄厚的单位，它常被用来设计ASIC。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计分成外部和内部，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点.与其他硬件描述语言相比，VHDL的特点：
1、功能强大、设计灵活：
它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计。VHDL支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计。
2、支持广泛、易于修改：
大多数EDA工具几乎都支持VHDL，故在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。
3、强大的系统硬件描述能力
VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL还支持预定义的和自定义的数据类型。
此外还有独立于器件的设计、很强的移植能力、易于共享和复用等特点。
三、系统组成
数据输入端|：A1,B1,A0,B0
输出端口：1，2，3
四、硬件设计
a、 输入2位二进制数值分别用A1、B1、A0、B0表示
b、 输出用1、2、3表示，其中1、2、3分别代表结果是A>B、A=B、A<B。
2位数值比较器以及逻辑图如下：

电路说明：
A、B是两B1个二位二进制数A1A0和B1B0，进行比较时首先比较高位即A1和B0，如果A1>B1，则不管其他位数码为何值，一定有A>B。反之，A1<B1，则不管其他位数码为何值，一定有A<B，如果，A1=B1,就比较下一位A0和B0，若A0>B0则有A>B；若A0<B0则有A<B，否则是A=B。根据上诉，可得A>B、A<B、A=B的逻辑函数式为：
Y(A>B)=A1*B1′+（A1⊙B1）A0*B0′*I(A>B);
Y(A<B)= A1′*B1+（A1⊙B1）A0′*B0*I(A<B);
Y(A=B)= A1⊙B1）*（A0⊙B0）*I(A=B)。
其中I(A>B)、I(A<B)、I(A=B)都是来自低位的比较结果。
以下是具体的真值表
输入
输出
A1
B1
A0
B0
1
2
3
1
0
任意
1
0
0
0
1
任意
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
备注：输出中的1、2、3分别代表A>B、A=B、A<B
五、软件编程
系统工作软件流程
1） 打开Max+plusII,进入编辑环境，如下图：
2）新建文本文件，选择Text Editor file：如下图：

3）点击ok进入文本编辑系统，输入源程序，如下图所示：
4）建立工程，然后看编译是否有错误，直到通过编译为止 ：
5）仿真建立波形文件：
程序代码：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity Comp is
port (
A1 : in std_logic;
B1 : in std_logic;
A0 : in std_logic;
B0 : in std_logic;
AsmallerB : out std_logic;
AbiggerB : out std_logic;
AequalB : out std_logic
);
end Comp;
architecture RTL of Comp is
signal S_TMP : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
S_TMP <= A1 & B1 & A0 & B0;
process (S_TMP) begin
case (S_TMP) is
when "0000" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "0001" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0010" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <=
'1';AequalB <= '0';
when "0011" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "0100" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0101" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0110" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0111" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "1000" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1001" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1010" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1011" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1100" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "1101" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "1110" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1111" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when others => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
end case;
end process;
end RTL;
运行仿真：

仿真结果：

六、系统调试
1),软件打不开，解决办法把license.dat的文件拷贝到安装目录下面，
2）逻辑图显示node missing source 错误， 解决办法是把输入端口的名字改了，
3）仿真结果总是出不来，解决的办法是单击Max+plus下拉菜单下面的Simulator，而不是直接点击运行。
七、心得体会
虽然刘老师曾经多次讲过如何使用该软件，但是在这个课程设计开始的时候，我们依旧很迷茫，不知道该怎么去做这个课程设计。最后反复看了课本之后，才开始着手做2位数值比较器这个课题，在课程设计过程中，我们查阅了大量的资料，多次询问了同学许多问题，才把这个课题了解清楚。
开始时，对2位数值比较器的理解比较深入，可是在设计时总是忘记少连或者多连一些线路，所以开始的设计都是以失败而告终，这样的情况浪费了我们很多时间，通过这次做课程设计，我们了解到做课程设计也是对课本知识的巩固和加强，由于课本的知识很多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，所以在这次课程设计中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。同时还可以记住更多的东西，比如一些芯片的功能，通过动手实践让我们对各个元件映像深刻，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准，所以这次的课程设计对我们的作用是非常大的。
虽然此课程设计对我们组很有压力，可是当我们看到我们的成果时，我们感到了高兴，同时明白了有些事情即使再难，在枯燥，只要我们尽自己最大的努力，最后也能完成的很好。我们应该克服自己懒惰的心理，只要敢于动手去做，其实所有事情并不是想象中的那么难。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，明白了做事要注意细节，最后对MAX+plus这个软件产生了兴趣。
八、参考文献
[1]数字电子技术基础（第五版），阎石主编，高等教育出版社
[2]数字系统设计及VHDL实战，徐向明主编，机械工业出版社
[3]黄仁欣.EDA技术实用教程.北京:清华大学出版社,2006
九、附录
程序原理图：
程序代码以及部分注释：
LIBRARY IEEE; --使IEEE库可见
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; --调用IEEE库中的程序包
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; --
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity Comp is --实体说明
port (
A1 : in std_logic; --二进制输入端口
B1 : in std_logic;
A0 : in std_logic;
B0 : in std_logic;
AsmallerB : out std_logic; --结果输入端口
AbiggerB : out std_logic;
AequalB : out std_logic
);
end Comp;
architecture RTL of Comp is --结构体描述
signal S_TMP : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
S_TMP <= A1 & B1 & A0 & B0; --输入4个二进制数值
process (S_TMP) begin
case (S_TMP) is --case语句
when "0000" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "0001" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0010" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <=
'1';AequalB <= '0';
when "0011" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "0100" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0101" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0110" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "0111" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "1000" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1001" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1010" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1011" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1100" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when "1101" => AsmallerB <= '1';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
when "1110" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '1';AequalB <= '0';
when "1111" => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '1';
when others => AsmallerB <= '0';AbiggerB <= '0';AequalB <= '0';
end case;
end process;
end RTL;