实验一 一位二进制全加器设计实验

南昌大学实验报告学生姓名： 学 号： 专业班级： 中兴101实验类型：■ 验证 □ 综合 □设计 □ 创新 实验日期： 2012 9 28 实验成绩：实验一 一位二进制全加器设计实验一．实验目的（1）掌握Quartus II 的VHDL 文本设计和原理图输入方法设计全过程； （2）熟悉简单组合电路的设计，掌握系统仿真，学会分析硬件测试结果； （3） 熟悉设备和软件，掌握实验操作。

二．实验内容与要求（1）在利用VHDL 编辑程序实现半加器和或门，再利用原理图连接半加器和或门完成全加器的设计，熟悉层次设计概念；（2）给出此项设计的仿真波形；（3）参照实验板1K100的引脚号，选定和锁定引脚，编程下载，进行硬件测试。

三．设计思路一个1位全加器可以用两个1位半加器及一个或门连接而成。

而一个1位半加器可由基本门电路组成。

(1) 半加器设计原理能对两个1位二进制数进行相加而求得和及进位的逻辑电路称为半加器。

或：只考虑两个一位二进制数的相加，而不考虑来自低位进位数的运算电路，称为半加器。

图1为半加器原理图。

其中：a 、b 分别为被加数与加数，作为电路的输入端；so 为两数相加产生的本位和，它和两数相加产生的向高位的进位co 一起作为电路的输出。

半加器的真值表为表1 半加器真值表由真值表可分别写出和数so ，进位数co 的逻辑函数表达式为：b a b a b a so ⊕=+=--（1） ab co = （2）图1半加器原理图(2) 全加器设计原理除本位两个数相加外，还要加上从低位来的进位数，称为全加器。

图2全加器原理图。

全加器的真值表如下：表2全加器真值表c a b co so0000000101010010111010001101101101011111其中a为加数，b为加数，c为低位向本位的进位，co为本位向高位的进位，so为本位和。

图2.全加器原理图四．实现方法一：原理图输入法设计（自己独立完成）1. 建立文件夹建立自己的文件夹（目录），如c:\myeda，进入Windows操作系统QuartusII不能识别中文，文件及文件夹名不能用中文。

2. 原理图设计输入打开Quartus II，选菜单File→New，选择“Device Design File->Block Diagram->Schematic File”项。

点击“OK”,在主界面中将打开“Block Editor”窗口。

(1) 放置元件在原理图编辑窗中的任何一个空白处双击鼠标左键或单击右键,跳出一个选择窗，选择此窗中的Enter Symbol项输入元件，出现元件选择窗口。

元件选择窗口窗口中Symbol Libraries:的路径c:\ Quartus2\max2lib\prim下为基本逻辑元件库，双击之，在Symbol Files:下出现prim中的所有元件，选中你需要的元件（如：二与门，即and2）；或者在Symbol Name:中直接输入元件名称（and2），单击OK键。

你需要的元件（and2）会出现在原理图编辑窗中。

为了设计半加器，分别调入元件and2、not、xnor、input和output。

如果安放相同元件，只要按住CTRL键，同时用鼠标拖动该元件。

(2) 添加连线把鼠标移到引脚附近,则鼠标光标自动由箭头变位十字,按住鼠标左键拖动,即可画出连线。

然后用鼠标分别在input和output的PIN-NAME上双击使其变黑色，再用键盘分别输入各引脚名：ain、bin、co和so。

(3). 保存原理图单击File→Save as…按扭,出现对话框,选择自己的目录（如c:\myeda）、合适名称保存刚才输入的原理图，原理图的扩展名为.bdf,本实验取名。

如图3所示。

图3 一位半加器图(4) 设置工程文件（Project）方法1 选择File Project Set Project to Current File，即将当前的设计文件设置成工程。

方法2 如果设计文件未打开，选File Project Name，然后在跳出的Project Name 窗中找到c:\myeda目录，在其File小窗口中双击文件。

选择此项后可以看到窗口左上角显示出所设文件路径的变化。

3. 选择目标器件单击Assign→Device，跳出Device窗口，此窗口的Device Family是器件序列栏，首先在此栏中选定目标器件对应的序列名，如EPM7128S对应的是MAX7000S系列；EPF10K10对应的是FLEX10K系列等。

根据实际情况完成器件选择后（本实验为Cyclone||系列的EP2C35F672C8），按OK键。

应将此栏下方标有Show only Fastest Speed Grades的勾消去，以便显示出所有速度级别的器件。

4. 编译（Compiler）单击QuartusII→Compiler，跳出Compiler窗口，此编译器的功能包括网表文件的提取、设计文件的排错、逻辑综合、逻辑分配、适配（结构综合）、时序仿真文件提取和编程下载文件装配等。

单击Start，开始编译！如果发现有错，排除错误后再次编译。

5. 包装元件入库。

编译通过后，单击File→Create Default Symbol,当前文件变成了一个包装好的自己的单一元件（半加器：gate），并被放置在工程路径指定的目录中以备后用。

6. 用两个半加器及一个或门连接而成一位全加器我们将上述1~5步的工作看成是完成了的一个底层元件，并被包装入库。

利用已做好的半加器gate，完成原理图输入、连线、引脚命名、器件选择、保存、项目设置、编译等过程，完成顶层项目全加器的设计。

如图4所示。

图4全加器的设计图半加器元件gate的调用与库元件的调用方法一样。

以文件名存在同一目录（c:\myeda）中。

以下步骤同方法二：7. 仿真，测试项目的正确性8. 观察分析波形9. 时序分析五．VHDL文本输入法设计1.试验程序（程序来源：自己独立编写）--全加器设计的文本输入法设计程序--设计人：邓小娇--2012年9月26日--1位二进制全加器顶层设计描述LIBRARY IEEE;USE aaa ISPORT(ain,bin,cin:IN STD_LOGIC;--输入信号ain为加数，bin为加数，cin为低位向本位的进位cout,sum:OUT STD_LOGIC); --输出信号：co为本位向高位的进位，--so为本位和END ENTITY aaa;--半加器描述：真值表描述方法LIBRARY IEEE;USE gate ISPORT(a,b:IN STD_LOGIC;--a为加数，b也为加数co,so:OUT STD_LOGIC); -- co为本位向高位进位，so为本位和END ENTITY gate;ARCHITECTURE ART4 OF gate ISSIGNAL abc:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);--定义标准逻辑位矢量数据类型BEGINabc<=a&b;--a相并b，即a与b并置操作PROCESS(abc)BEGINCASE abc IS --类似于真值表的CASE语句WHEN "00"=>so<= '0';co<= '0';WHEN "01"=>so<= '1';co<= '0';WHEN "10"=>so<= '1';co<= '0';WHEN "11"=>so<= '0';co<= '1';WHEN OTHERS=> NULL;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE ART4;--或门逻辑描述LIBRARY IEEE;USE or2a ISPORT(a,b:IN STD_LOGIC;--a .b 都为或门的输入c:OUT STD_LOGIC);--c为或门的输出END ENTITY or2a;ARCHITECTURE one OF or2a ISBEGINc <= a OR b;END ARCHITECTURE one;ARCHITECTURE fd1 OF aaa ISCOMPONENT gate --调用半加器声明语句PORT(a,b:IN STD_LOGIC;co,so:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;COMPONENT or2aPORT(a,b:IN STD_LOGIC;c:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;SIGNAL d,e,f:STD_LOGIC;--定义3个信号作为内部的连接线。

BEGINu1: gate PORT MAP(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e);--例化语句，=>表示信号连接u2: gate PORT MAP(a=>e,b=>cin,co=>f,so=>sum);u3: or2a PORT MAP(a=>d,b=>f,c=>cout);END ARCHITECTURE fd1;2.程序说明对于对数综合器来说,程序所列的全部程序可以同时输入相应的EDA 软件进行编译，也能以单独的元件模块分别进行编辑、文件存档、编译和综合。

程序中共有3 个独立的VHDL 设计模块即2 个元件模块和一个顶层设计模块aaa存档的文件名最好与对应的VHDL 程序的实体一致如可分别将它们取名为和。

程序的解析如下：(1) 作为文件说明部分由双横线“--”引导了一段注释语句在VHDL 程序的任何一行中双横线“--”后的文字都不参加编译和综合(2) 实体or2a 语句段定义了或门or2a 的引脚信号a b (输入)和c (输出) 其结构体语句段描述了输入与输出信号间的逻辑关系，即将输入信号a b 相或后传给输出信号端c。

由此实体和结构体描述了一个完整的或门元件，这一描述可以进行独立编译、独立综合与存档，或被其它的电路系统所调用。

(3) 实体gate 和结构体ART4 描述了一个如图1 所示的半加器,由其结构体的描述可以看到，它是由一个与非门、一个非门、一个或门和一个与门连接而成的，其逻辑关系来自于半加器真值表(表1)。

(4) 在全加器接口逻辑即顶层文件的VHDL 描述中，根据图1右侧的1位二进全加器aaa 的原理图，其实体定义了引脚的端口信号属性和数据类型。