第十一章 数字系统的设计与仿真

第十一章数字系统的设计与仿真

本章介绍应用最广泛的数字电路EDA软件：美国Altera公司开发的MAX+plus II、Quartus II 软件和OrCAD公司的PSpice软件。MAX+plus II和Quartus II软件是可编程器件CPLD/FPGA的开发工具，PSpice软件适合于中、小规模集成芯片的设计仿真，都已经在国内数字电路实验教学中普遍应用。

11.1 MAX+plus II 软件应用

MAX+plus II是美国Altera公司开发的，适用于本公司生产的系列CPLD和FPGA器件的设计、仿真、编程的工具软件，英文全称是Multiple Array Matrix Programmable Logic User Systems。MAX+plus II是CPLD和FPGA开发软件中比较流行的一种工具，具有丰富的图形界面，可即时访问的在线文档，具有的灵活和高效的设计环境，MAX+plus II在Altera公司网站可以免费下载。因此，MAX+plus II受到高校师生和广大设计人员的喜爱，成为应用最广泛的CPLD/FPGA开发工具。

11.1.1 MAX+plus II 电路输入方法

MAX+plus II 的电路输入方法分为两种：硬件描述语言输入法和原理图输入法。两种方法都很简便易学，非常适于本科实验教学实验。

1．硬件描述语言输入方法

硬件描述语言输入方法有如下几个步骤：

（1）建立电路的文本文件

打开MAX+plus II软件，选择File菜单的New选项，弹出界面如图11-1所示，选择Text Editor file，打开文本编辑器的窗口。在文本编辑器可以输入VHDL、V erilog

HDL或AHDL（Altera硬件描述语言）编写的电路设计文件。编写完成后保存时要选择相应的扩展名，如图11-2所示，VHDL语言扩展名是.vhd，V erilog HDL语言

扩展名是.v。

电路输入文件要保存在自己设定的工作目录，与此工程相关的文件都自动存入该工作目录。

图11-1 新文件编辑器

图11-2 文件保存对话框

（2）进行编译

对编写完成的设计文件进行编译和仿真。选择File菜单Project/Set Project to Current File将文件设置成当前运行的项目文件，再将文件进行编译

File/Project/Save &Compile。对编译错误的文件，程序弹出窗口，显示出错的语句所在行（Line xx）数。编译正确的文件，程序弹出0 errors，就可以进行仿真了。成功的编译只能为项目创建一个编程文件，而不能保证该项目能按照所期望的结果运行。

（3）建立波形文件

仿真之前要建立设计的波形文件，设置电路的输入波形。选择图11-1的Waveform Editor file选项，打开波形编辑器窗口。首先要保存波形文件为扩展名.scf文件，然后再选择菜单上Node命令，选择Enter Nodes from SNF选项，弹出对话框如图11-3所示。选择List，对话框中出现电路的所有输入、输出端口名称，点击=>键，将所选端口导入右边窗口，点击OK，保存波形文件xxx.scf，与编程文件名称相同，扩展名为.scf。

图11-3 电路端口导入波形的对话框

设置输入波形前首先要设置仿真结束时

间，选择File/End Time。然后，设置时间周

期，选择Options菜单的Grid Size选项。时

间周期是时间增长的步长值，计数输入波形

可以自动选择按步长值增长。

波形编辑窗口如图11-4所示，输入波形

符号为。对选中的输入波形部分段涂黑，

点击波形编辑窗口左边1或0的快捷键，可

以设置波形部分段的高、低电平。选择输入

波形标志可以一次全部赋值。

设置时钟等周期波形可以选择按

键，时钟周期为已设定的时间周期的2倍；

设置输入波形按设定值增长，可以选择含C

的按键，波形增长的步长值为前面设置的

时间周期；设置一组输入数据可以选择含G

的按键。波形文件中所有输入波形均需要

设置。

图11-4 波形文件窗口

（4）电路仿真

对电路输入文件进行仿真，选择File菜

单的Project/Save & Simulate项，仿真结果的

输出波形显示在波形文件上。仿真的目的是

对所设计项目的正确与否作出检验，确保设计的功能在各种条件下都是正确的。

（5）建立元件图形符号

当验证仿真结果都符合设计要求后，根据需要可以对文本编辑文件建立元件符号，存入元件图形库中已备调用。建立元件符号是对文本编辑窗口操作，选择File菜单的Create Defaule Symbol命令，程序自动产生元件图形符号（Defaule Symbol）。元件图形符号自动以扩展名.gdf存入工作目录。

图11-5是16进制计数器生成的元件符号，图的左边是电路输入管脚，右边是电路输出管脚。

图11-5 16进制计数器的元件符号

（6）调用元件图形符号

调用元件图形符号需要打开图形编辑器，选择图11-1的Graphic

Editor file选项。在图形编辑器窗口，点击鼠标右键，选择Enter Symbol命令，弹出Enter Symbol窗口，点击工作目录中的图形符号名，放置在图形编辑器版面，即可绘制电路原理图。双击图形符

号又可以调出文本编辑窗口，修改文本编辑。

2．电路原理图输入方法

MAX+plus II的原理图输入法简便易学，可以

调用MAX+plus II库中的元件，也可以调用自己建

立的元件图形符号。MAX+plus II元件库如图11-6

所示，包含数字电路的逻辑门电路、常用中规模集

成电路和74系列电路器件等。MAX+plus II为设计

者提供了丰富的元件库，根据不同的逻辑功能分为

以下几种库：

①用户库：存放设计者自建的元器件，多数用

在底层设计。

②基本库prim：包含一些基本的逻辑器件，

如门电路和触发器。

③宏功能库mf：包含所有的74系列中规模集

成电路器件。

④参数化模块库mega_lpm：包含一些参数可

调、功能复杂的高级功能模块。

⑤edif格式宏功能库edif：包含以edif网表

格式提供的所有74系列中规模集成电路器件。

图11-6 MAX+plus II元件库

（1）建立工作目录

首先要为新的设计项目建立工作目录，将绘制的电路原理图保存在工作目录中，本例为设计一个加法器电路建立目录e:\eda\adder。工作目录和文件名不能用中文，不可以有空格。一个设计项目可以包含多个设计文件，其中一个是顶层文件。文件名与电路功能一致为好，顶层文件名必须和项目名相同，编译器对项目中的顶层文件进行编译时自动调用底层设计文件。

（2）绘制原理电路图

打开MAX+plus II，选择菜单File的New选项，在弹出的对话框中选择原理图编辑项Graphic Editor file，打开原理图编辑窗口，如图11-7所示。该窗口包含菜单栏、工具栏、绘图工具条和绘图工作区。绘图工作区是设计者绘制原理图的区域。工具栏是菜单条中各命令的快捷键，绘图工具快捷键排列在编辑窗口的左边，用鼠标指向这些快捷键，在编辑窗口的下边有使用说明显示。