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运算器

摘要

设计一个简单运算器。由顶层电路、运算器、按键输入、控制信号产生、修正

结果、显示等模块构成。用

Quartus II

绘制原理图或编写 VHDL 程序，然后封装

画出电路图，该简单运算器可以实现加、减法算数运算和与、异或逻辑运算，且该

运算器设计完之后经过了

Quartus II

软件和 FPGA 实验板的下载验证。

关键词:运算器，Quartus II，VHDL 程序

数字逻辑课程设计报告

第一章系统原理...............................................................................................................................5

1.1 系统功能.............................................................................................................................5

1.2 系统原理图.........................................................................................................................6

1.3 电路设计原理.....................................................................................................................6

第二章系统组成...............................................................................................................................7

2.1 按键模块.............................................................................................................................7

2.1.1 按键模块 VHDL 程序 .............................................................................................7

2.1.2 按键模块仿真波形................................................................................................ 11

2.1.3 按键模块电路封装图............................................................................................12

2.1.4 按键模块功能........................................................................................................12

2.2 控制信号产生模块...........................................................................................................12

2.2.1 控制模块 VHDL 程序 ...........................................................................................12

2.2.2 控制模块仿真波形................................................................................................15

2.2.3 控制模块电路封装图............................................................................................15

2.2.4 控制模块功能........................................................................................................16

2.3 修正模块...........................................................................................................................16

2.3.1 修正模块 VHDL 程序 ...........................................................................................16

2.3.2 修正模块仿真波形................................................................................................20

2.3.3 修正模块电路封装图............................................................................................20

2.3.4 修正模块功能........................................................................................................21

2.4 显示模块...........................................................................................................................21

2.4.1 显示模块 VHDL 程序 ...........................................................................................21

2.4.2 显示模块电路封装图............................................................................................24

2.4.3 显示模块功能........................................................................................................25

2.5 运算器模块.......................................................................................................................25

2.5.1 运算器模块功能....................................................................................................25

2.5.2 运算器模块电路图................................................................................................25

第三章定制选择器.........................................................................................................................26

3.1 定制选择器.......................................................................................................................26

3.2 用 VHDL 符号图画运算器顶层电路图 ..........................................................................28

第四章下载验证及调试.............................................................................................................30

4.1 器件选择及引脚设置.......................................................................................................30

4.2 配置文件下载...................................................................................................................31

结论 ................................................................................................................................................32

参考文献.........................................................................................................................................33

数字逻辑课程设计报告

前言

随着 FPGA 性能的不断完善，FPGA 器件的种类日益丰富，受到世界范围

内电子设计人员的普遍欢迎，并占据了较大的市场，其生产厂家也由原来的

Xilinx 公司一家增加到 Altera、Actel、lattice 等十几家公司。

Altera 公司的主要产品有：属于 FPGA 的 FLEX、ACEX、APEX、Mercury、

Excalibur、Stratix 和 Cyclone 等系列；属于 CPLD 的 MAX 和 Classic 系列。开

发工具有，被普遍认为是最优秀 PLD 开发平台之一的 MAX+Plus II 和支持

APEX、Mercury、Excalibur、Stratix 和 Cyclone 系列器件的 Quartus II 开发软件。

Cyclone 系列器件是 Altera 公司推出的低价位 FPGA 产品，是 Stratix 系列

的简化版，分为 Cyclone I 和 Cyclone II 两个系列。Cyclone I 系列产品为基于

1.5V、采用 0.13um 全铜 SRAM 工艺的低成本 FPGA。Cyclone II 系列产品基于

1.2V，采用 0.09um 全铜 CMOS 工艺，SRAM 编程技术，其成本更低、容量更

高、速度更快。它和高性能的 Stratix II 系列的 FPGA 是目前 Altera 公司主流产

品。

我的简单运算器主要是用 VHDL 语言编写，以 Cyclone 器件为依托，并下

载到 Altera 仿真工具箱 Cyclone-EP1C6Q240C8 验证功能成功，能够初步完成简

单运算器的雏形。

随着大规模集成电路技术和计算机技术的高速发展，在涉及通信、国防、

工业自动化、计算机设计与应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，

FPGA 技术的含量正以惊人的速度提升。电子类的新技术项目的开发也更多地

依赖于 FPGA 技术的应用，特别是随着 HDL 等硬件描述语言综合功能和性能的

提高，计算机中许多重要的元件（包括 CPU）都用硬件描述语言来设计和表达，

许多微机 CPU、硬核嵌入式系统（如 ARM、MIPS）、软核嵌入式系统（如

NiosII）、大型 CPU，乃至整个计算机系统都用 FPGA 来实现，即所谓的单片系

统 SOC 或 SOPC(System On a Chip 、System On a Programmerable Chip) 。计算机

和 CPU 的设计技术及其实现途径进入了一个全新的时代！不但如此，传统的

CPU 结构模式，如冯诺依曼结构和哈佛结构正在接受巨大的挑战。

例如美国 Wincom Systems 公司推出一款令人惊叹的服务器，其核心部分是

数字逻辑课程设计报告

由 FPGA 完成的超强功能 CPU。该系统工作能力超过 50 台 DELL 或 IBM 计算

机，或 SUN Microsystems 公司的服务器。该服务器的处理速度要比传统服务器

快 50 到 300 倍。我们知道，传统的 PC 机及服务器通常采用诸如 Intel 公司的奔

腾处理器或 SUN 公司的 SPARC 芯片作为中央处理单元，而 Wincom Systems 的

这款产品却没有采用微处理器，而是由 FPGA 芯片驱动。FPGA 芯片的运行速

度虽比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项

任务。因此，Wincom Systems 的服务器只需配置几个价格仅为 2000 多美元的

FPGA 芯片，便可击败 SUN 公司的服务器或采用 Intel 处理器的计算机。

50 多年前，匈牙利数学家冯诺依曼提出了计算机的设计构想：通过中央处

理器从储存器中存取数据，并逐一处理各项任务。然而现在，却采用 FPGA 取

代传统微处理器获得了更高的性能，致使美国 Xilinx 公司的首席执行官 Willem

Roelandts 认为：“由冯诺依曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀

起下一轮应用高潮”。

FPGA 芯片操作灵活，可以重复擦写无限次，而微处理器均采用固定电路，

只能进行一次性设计。设计人员可通过改变 FPGA 中晶体管的开关状态对电路

进行重写，即重配置，从而尽管 FPGA 芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但

是由于 FPGA 芯片可并行处理各种不同的运算，所以可以完成许多复杂的任务。

正如 Willem Roelandts 所说的，“我们认为下一代超级电脑将基于可编程逻辑器

件”，他声称，这种机器的功能比目前最大的超级电脑还要强大许多倍。 EDA

专家 William Carter 认为，只要 EDA 开发工具的功能允许，将有无数的证据证

明 FPGA 具有这种神奇的能力，进而实现基于 FPGA 的超级电脑的开发。

此外，美国加州大学伯克利分校和杨百翰大学的研究人员也正在设计基于

FPGA 的电脑，这些电脑可在运行中实现动态重配置。这对定位危险目标等军

事应用和面容识别之类的计算密集型安全应用十分有用。由此看来，在计算机

应用领域和计算机系统设计领域中，EDA 技术和 FPGA 的应用方兴未艾！

硬件描述语言 HDL(Hardware Description Language)是 EDA 技术的另一重要

组成部分，常见的 HDL 有：VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 SystemC。

其中 VHDL、Verilog 在现在 EDA 设计中使用最多，也得到几乎所有的主流

EDA 工具的支持。而后两种 HDL 语言尚处于完善过程中。

VHDL 语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进

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qq_51524436

2022-12-11

资源不错，对我启发很大，获得了新的灵感，受益匪浅。

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