實(shí)驗(yàn)二基于HDL十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

基于HDL十進(jìn)制計(jì)數(shù)、顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆栈谡Z言的ISE設(shè)計(jì)全流程；熟悉、應(yīng)用VerilogHDL描述數(shù)字電路；掌握基于Verilog的組合和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。掌握chipscope片內(nèi)邏輯分析儀的使用與調(diào)試方法。設(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)處理器件編程功能仿真器件測試時(shí)序仿真設(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)任務(wù)：具有數(shù)顯輸出的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)任務(wù)表述：輸入信號：clk_50m---系統(tǒng)采樣時(shí)鐘clk-------待計(jì)數(shù)的時(shí)鐘clr---------異步清零信號，當(dāng)clr=1，輸出復(fù)位為0，當(dāng)clr=0，正常計(jì)數(shù)ena---------使能控制信號，當(dāng)ena=1，電路正常累加計(jì)數(shù)，否則電路不工作輸出信號：q[6：0]---------驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，顯示計(jì)數(shù)值的個(gè)位COM-----------共陽級數(shù)碼管公共端（接VCC）設(shè)計(jì)準(zhǔn)備需主要設(shè)計(jì)完成兩個(gè)子模塊，一個(gè)是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（cnt10.v），一個(gè)是驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管的模塊（led.v)。由于實(shí)驗(yàn)板上的按鍵需要消抖，增加一個(gè)消抖模塊debounce_module，待計(jì)數(shù)的時(shí)鐘clk輸入至計(jì)數(shù)器前，先通過消抖模塊。本設(shè)計(jì)共包括3個(gè)模塊。設(shè)計(jì)準(zhǔn)備十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：對輸入時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)輸入:CLK-------待計(jì)數(shù)的時(shí)鐘CLR---------異步清零信號，當(dāng)CLR=1，輸出復(fù)位為0，當(dāng)CLR=0，正常計(jì)數(shù)ENA---------使能控制信號，當(dāng)ENA=1，電路正常累加計(jì)數(shù)，否則電路不工作輸出：SUM[3:0]----------計(jì)數(shù)值的個(gè)位。即，在CLK上升沿檢測到SUM=9時(shí)，SUM將被置0，開始新一輪的計(jì)數(shù)。COUT------------計(jì)數(shù)值的十位進(jìn)位，即：只有在時(shí)鐘CLK上升沿檢測到SUM=9時(shí)，COUT將被置1，其余情況下COUT=0;設(shè)計(jì)準(zhǔn)備LED顯示驅(qū)動(dòng)模塊（led.v）輸入：sum[3:0]-------待顯示的數(shù)值out[6:0]----------驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的七位數(shù)值（注意下表中out的對應(yīng)位）數(shù)碼輸入sum輸出out對應(yīng)碼(h)3210Aout[0]Bout[1]Cout[2]Dout[3]Eout[4]Fout[5]Gout[6]00000000000181100011001111CF2001000100109230011000011086401001001100CC501010100100A4601100100000A07011100011118F8100000000008091001000010084A1010000100088b10111100000E0C11000110001B1d11011000010C2E11100110000B0F11110111000B8設(shè)計(jì)準(zhǔn)備電源按鍵消抖：通常的按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)板的資料，對按鍵輸入信號需進(jìn)行消抖處理。設(shè)計(jì)準(zhǔn)備消抖模塊電平檢查模塊：檢測輸入的按鍵是否被按下或者釋放，并分別將H2L_Sig,L2H_Sig拉高，并隨后拉低，給出按鍵的操作信息。延時(shí)模塊，對輸入的信號變化時(shí)刻進(jìn)行計(jì)時(shí)并觀察信號的變換情況，對輸出端口進(jìn)行恰當(dāng)?shù)刭x值實(shí)驗(yàn)資料中給出消抖模塊設(shè)計(jì)源代碼。消抖模塊不要求仿真下面分別設(shè)計(jì)1、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器cnt10.v.2、LED驅(qū)動(dòng)模塊led.v3、按鍵消抖模塊4、頂層模塊設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)處理器件編程功能仿真器件測試時(shí)序仿真十進(jìn)制計(jì)數(shù)器cnt10.v的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)輸入建立工程：file->NewProject要求：同學(xué)們在E盤或者DATA盤的根目錄下，以自己的學(xué)號為文件名建立工程選擇Top-level的類型是HDL設(shè)計(jì)輸入注意器件、EDA工具的正確選擇設(shè)計(jì)輸入建立工程后，開始模塊的設(shè)計(jì)。cnt10.v模塊設(shè)計(jì)1、建立新VerilogHDL模塊編輯窗口設(shè)計(jì)輸入選擇VerilogModule，并輸入合法文件名設(shè)計(jì)輸入在文本編輯窗口輸入代碼設(shè)計(jì)處理在sources窗口選中待綜合模塊cnt10，在process窗口雙擊Synthesize-XST綜合完后可以雙擊Synthesize-XST下的ViewRTLSchematic，得到綜合后的電路圖。1、綜合：功能仿真1）建立仿真激勵(lì)文件功能仿真考慮完備性測試和減短仿真耗時(shí)，將時(shí)鐘周期改為100ns，測試文件時(shí)間長度2000ns功能仿真根據(jù)所設(shè)計(jì)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的各種工作狀態(tài)，完成激勵(lì)信號的編輯功能仿真進(jìn)行仿真：1、選擇sourcesfor:BehavioralSimulation2、選中激勵(lì)源文件3、雙擊simulateBahavioralModel功能仿真分析得到的仿真波形，如有問題，對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正由于本次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘周期長，對時(shí)序沒有要求，故可以省略各子模塊的時(shí)序仿真。LED驅(qū)動(dòng)模塊led.v的設(shè)計(jì)分析下表，（注意輸出out[6:0]與下表數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系）理解led.v模塊的功能數(shù)碼輸入sum輸出out對應(yīng)碼(h)3210Aout[0]Bout[1]Cout[2]Dout[3]Eout[4]Fout[5]Gout[6]00000000000181100011001111CF2001000100109230011000011086401001001100CC501010100100A4601100100000A07011100011118F8100000000008091001000010084A1010000100088b10111100000E0C11000110001B1d11011000010C2E11100110000B0F11110111000B8LED驅(qū)動(dòng)模塊led.v的設(shè)計(jì)按照與cnt10.v相同的設(shè)計(jì)步驟完成led.v模塊的設(shè)計(jì)輸入、綜合、功能仿真cnt10.v和led.v組合為一個(gè)系統(tǒng)

用VerilogHDL將cnt10.v和led.v組合為一個(gè)模塊，完成綜合、功能仿真，分析波形，修正設(shè)計(jì)。消抖模塊設(shè)計(jì)了解消抖模塊的功能，拷貝相關(guān)代碼擬采用實(shí)驗(yàn)板上的50MHZ時(shí)鐘為延遲計(jì)數(shù)時(shí)鐘消抖模塊端口說明：

debounce_module(CLK,RSTn,Pin_In,Pin_Out);CLK----50MHZ板上時(shí)鐘，提供給延時(shí)模塊計(jì)時(shí)使用。RSTn----異步復(fù)位信號，RSTn=1，復(fù)位Pin_In---待消抖信號，在本次設(shè)計(jì)是輸入給十進(jìn)制的時(shí)鐘信號。Pin_Out----消抖后輸出信號，輸?shù)绞M(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號。頂層模塊設(shè)計(jì)硬件測試平臺設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)輸入：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器cnt10模塊中的復(fù)位信號（clr)通過撥動(dòng)開關(guān)SW3輸入，使能信號（ena）通過撥動(dòng)開關(guān)SW2輸入，待計(jì)數(shù)時(shí)鐘clk通過按鍵V16輸入，為保證設(shè)計(jì)效果，將clk通過消抖模塊處理后，生成的clk_out送到后續(xù)模塊。

系統(tǒng)輸出：向十位的進(jìn)位可以鎖于發(fā)光二極管（比如：LD4）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)的七位信號可輸出到D5，B6，E7，F(xiàn)7，B4，A4，C5等引腳。為簡化設(shè)計(jì)，消抖模塊的復(fù)位信號、使能信號與cnt10模塊共用頂層模塊設(shè)計(jì)用VerilogHDL代碼描述模塊的連接，構(gòu)成如下圖所示的系統(tǒng)：頂層模塊處理HDL代碼完成后，綜合。頂層模塊不需要仿真。頂層模塊處理引腳鎖定：信號名引腳號信號名引腳號信號名引腳號clrN17AC5EB6enaH18BB4FE7clkV16CA4GA6clk_50mC9DF7COMD5頂層模塊處理由于clk沒鎖于ISE默認(rèn)的時(shí)鐘輸入引腳上，需要添加“CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;”為了更好的消抖效果，需要在V16輸入端口加入下拉電阻，即需加“PULLDOWN”。所以在約束文件（.ucf）中clk的鎖定應(yīng)為為：1）、NET“clk”LOC=“V16”|PULLDOWN|CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;”：或者2）NET“clk”LOC=“V16”|PULLDOWN；NET"clk"CLOCK_DEDICATED_ROUTE=FALSE;用戶約束文件（*.ucf）參考：NET"clk"LOC=V16| IOSTANDARD=LVCMOS33|PULLDOWN; NET"clk_50m"LOC=C9|IOSTANDARD=LVCMOS33; NET"clr"LOC=N17| IOSTANDARD=LVCMOS33; NET"ena"LOC=H18| IOSTANDARD=LVCMOS33; NET"q[0]"LOC=C5| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA0 aNET"q[1]"LOC=B4| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA1 bNET"q[2]"LOC=A4| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA2 cNET"q[3]"LOC=F7| IOSTANDARD=LVCMOS33; #DATA3 dNET"q[4]"LOC=B6| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA4 eNET"q[5]"LOC=E7| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA5 fNET"q[6]"LOC=A6| IOSTANDARD=LVCMOS33; #DATA6 gNET"COM"LOC=D5| IOSTANDARD=LVCMOS33;#DATA7DIG 頂層模塊處理雙擊ImplementDesign，進(jìn)行布局布線下載雙擊GenerateProgrammingFile生成下載文件雙擊ConfigureTargetDevice點(diǎn)擊OK下載點(diǎn)擊Finish下載下載對隨后的兩個(gè)器件，一個(gè)是Prom,一個(gè)是CPLD，選擇Bypass。下載彈出對話框，點(diǎn)擊OK下載下載后，改變撥動(dòng)開關(guān)和按鍵，觀察結(jié)果Chipscope在線調(diào)試Chipscope是Xilinx推出的一款在線調(diào)試軟件，如圖，通過JTAG仿真器將FPGA芯片中實(shí)際運(yùn)行的各種參數(shù)通過配置，傳回ISE套件中的chipscope軟件類似于示波器，chipscope提供觸發(fā)深度，觸發(fā)方式等一系列設(shè)置，同時(shí)提供數(shù)據(jù)采樣觀察窗口Chipscope調(diào)試開始–新建.cdc文件在HDL工程中添加chipscopefile，選擇ChipScopeDefinitionandConnectionFile，filename取名segChipscope-配置.cdc文件在原有的HDL工程下出現(xiàn)新建seg.cdc文件，可以在chipscope植入

ILA和ICONIP核，雙擊seg.cdc文件，進(jìn)入配置界面。Chipscope-設(shè)置觸發(fā)端口、類型等進(jìn)入配置界面，每個(gè)觸發(fā)端口ILA核可支持多路比特?cái)?shù)據(jù)，最多可有16個(gè)端口，觸發(fā)匹配類型共有6種。這里配置根據(jù)需要調(diào)試的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、類型決定。Chipscope-設(shè)置采樣深度設(shè)置采樣深度，即為一次采樣數(shù)據(jù)所顯示的深度、個(gè)數(shù)。深度范圍512-16384，采樣深度越深，耗費(fèi)資源越多。然后點(diǎn)擊NetConnections標(biāo)簽，設(shè)置設(shè)置觸發(fā)時(shí)鐘與觸發(fā)信號界面。Chipscope-設(shè)置采樣信號選擇ModifyConnections選項(xiàng)，進(jìn)入采樣時(shí)鐘和觸發(fā)信號設(shè)置，采樣時(shí)鐘用于捕捉觸發(fā)信號Chipscope-設(shè)置采樣時(shí)鐘設(shè)置觸發(fā)時(shí)鐘，一般選擇系統(tǒng)頻率最高的主時(shí)鐘注：Netselections中每個(gè)channel必須有添加有信號，否則綜合要報(bào)錯(cuò)同樣設(shè)置觸發(fā)信號，將TPO與TP1端口中的每個(gè)channel都添加，此處TP0監(jiān)測clk、clr、ena、coutTP1監(jiān)測的數(shù)碼管七段信號q[7:0]、以及COMChipscope-設(shè)置觸發(fā)數(shù)據(jù)注：一般選擇緩沖后的信號，例如q_0_OBUFChipscope-JTAG掃描設(shè)置好以后保存退出，綜合與實(shí)現(xiàn)，雙擊圖中AnalyzeD