### 数字电子线路基础：3-1 Quartus II软件使用及门电路实验
#### 实验目标
本实验旨在让学生掌握以下技能：
1. **Quartus II 软件的操作方法**：熟悉软件界面，了解如何创建新项目、编写代码、编译验证等基本操作。
2. **FPGA 工程的实验流程**：了解 FPGA 开发的基本步骤，包括硬件设计、仿真测试以及硬件调试等。
3. **首个 FPGA 工程实践**：通过一个简单的实验——点亮 LED 灯，使学生能够实际操作并理解 FPGA 的工作原理。
#### 实验准备
为了顺利完成实验，学生需预先完成以下准备工作：
1. **复习 FPGA 开发流程**：包括设计输入、综合、布局布线、编程下载等环节。
2. **复习 Verilog HDL 语言**：掌握基本语法规则，如模块定义、信号声明、过程块等。
3. **熟悉实验原理**：了解 LED 驱动原理、门电路基础知识等。
4. **编写实验所需代码**：基于预习内容，提前准备实验所需的 Verilog HDL 程序。
#### 实验器材
- **FPGA 开发实验箱**：提供必要的硬件资源，如 FPGA 芯片、LED 显示器、按键等。
- **数字万用表**：用于测量电压、电流等参数。
- **电脑**：安装有 Quartus II 软件的计算机。
#### 实验步骤
1. **启动 Quartus II 软件**：双击桌面图标启动软件。
2. **创建新项目**：
- 在主界面上选择“File”>“New Project Wizard”。
- 设置工程存储路径，注意路径中不能包含中文字符。
- 输入项目名称，通常建议项目名称与文件夹名称保持一致。
3. **选择 FPGA 器件**：
- 在器件选择窗口中，选择 Cyclone IV E 系列的 EP4CE6E22C8 型号。
4. **配置项目设置**：点击“Next”直至完成项目创建。
5. **编写 Verilog HDL 代码**：
- 通过“File”>“New”或工具栏上的按钮新建文件。
- 选择“Verilog HDL File”并确定。
- 编写一个简单的程序来控制 LED 的亮灭，例如：
```verilog
module led1(clk, rst_n, led1, key);
input key;
input clk;
input rst_n;
output reg led1;
always @(posedge clk or posedge rst_n)
if (rst_n) begin
led1 <= 1'b0; // 复位时 LED 关闭
end else if (key) begin
led1 <= 1'b1; // 按键按下时 LED 亮起
end else begin
led1 <= 1'b0; // 其他情况 LED 关闭
end
endmodule
```
6. **编译代码**：
- 使用“Processing”>“Start Compilation”或相应图标进行编译。
- 确保没有错误消息出现。
7. **配置引脚映射**：
- 通过“Assignment”>“Pin Planner”设置引脚分配。
- 将 key 与芯片的某个引脚关联，同样地，led1 也与另一个引脚关联。
8. **下载程序至 FPGA**：
- 选择“Tools”>“Programmer”进行程序下载。
- 如果 JTAG 接口未识别，则需手动添加。
9. **硬件连接**：
- 根据实验箱器件引脚图，将按键与芯片的指定引脚连接，并将 LED 与另一指定引脚连接。
10. **观察实验结果**：
- 观察按键控制 LED 灯的状态变化，理解程序的执行逻辑。
#### 思考题解析
1. **Verilog HDL 语言描述的硬件电路模块必要因素**：
- **端口声明**：定义模块的输入输出端口。
- **信号声明**：定义内部使用的信号类型。
- **过程块**：包含条件语句、循环等控制结构。
- **同步和异步复位**：确保电路稳定工作的复位机制。
- **时钟边沿检测**：用于时序逻辑设计中的时钟检测。
2. **建立大规模逻辑设计 FPGA 工程要点**：
- **需求分析**：明确设计的目标和功能要求。
- **架构设计**：选择合适的体系结构来满足性能指标。
- **模块化设计**：将复杂系统分解为若干个独立模块。
- **综合与优化**：利用综合工具将高级描述转换为门级网表，并进行面积、速度优化。
- **形式验证**：通过模型检查等方式验证设计的正确性。
- **布局布线**：确定芯片内部各组件的物理位置和连接方式。
- **测试与调试**：利用仿真工具验证设计的功能和性能。
3. **实验心得总结**：
- **理论联系实际**：通过实验加深对理论知识的理解。
- **问题解决能力**：遇到问题时学会查阅资料、调试解决问题。
- **团队协作**：在团队合作中相互学习，共同进步。
- **细节决定成败**：注意细节，比如引脚配置、代码语法等，都是影响实验成功的因素。
#### 结论
通过本实验的学习，不仅能够掌握 Quartus II 软件的基本操作，还能进一步理解 FPGA 设计流程和技术要点，为后续更复杂的项目打下坚实的基础。
