第一篇 逻辑门（与门、或门、非门、异或门）

一、实验目的

1. 了解DE1-SOC开发板一些外设。

2. 掌握常用组合逻辑门电路的基本原理。

3. 学习Verilog HDL的基本语法。

4. 学习使用ModelSim工具对设计的电路进行仿真，包括编写Testbench仿真代码，以及ModelSim工具的使用。

5. 熟悉使用Quartus软件从创建Quartus工程到最终配置FPGA并观察实验现象的流程。

二、逻辑门电路介绍

逻辑门电路是数字电路中最基本的单元电路，是构成各种逻辑功能电路的基本电路。常用的逻辑门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门。本实验主要介绍其中的与门、或门、非门和异或门。

1. 与门

与门又称逻辑与电路，是执行与运算的基本逻辑门电路，有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。

如下表1.1所示为二输入与门的真值表。

表1.1 二输入与门真值表 ​

输入A	输入B	输出S
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

下图所示为二输入与门逻辑符号。

以上二输入与门用逻辑运算表达式可表示为S = A&B，用Verilog HDL描述该与门的代码语句为：

assign S = A & B;

2. 或门

或门又称逻辑或电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做或逻辑关系。或门有多个输入端，一个输出端，只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平（逻辑0）时，输出才为低电平（逻辑0）。

如下表1.2所示为二输入或门的真值表。

表1.2 二输入或门真值表 ​

输入A	输入B	输出S
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

下图所示为二输入或门逻辑符号。

以上二输入或门用逻辑运算表达式可表示为S = A + B，用Verilog HDL描述该或门的代码语句为：

assign S = A | B;

3. 非门

非门实现逻辑代数非的功能，即输出始终和输入保持相反。当输入端为高电平（逻辑1）时，输出端为低电平（逻辑0）；反之，当输入端为低电平（逻辑0）时，输出端则为高电平（逻辑1）。

如下表1.3所示为非门的真值表。

表1.3 非门真值表 ​

输入A	输出S
0	1
1	0

下图所示为非门逻辑符号。

非门用逻辑运算表达式可表示为S= ~A，用Verilog HDL描述该非门的代码语句为：

assign S = ~ A;

4. 异或门

异或门是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，有多个输入端、一个输出端。若输入端的电平不同，则输出为高电平1；若输入端的电平都相同，则输出为低电平0。

如下表1.4所示为二输入异或门的真值表。

​

表1.4 异或门真值表​

​

输入A	输入B	输出S
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

下图所示为二输入异或门逻辑符号。

以上二输入异或门用逻辑运算表达式可表示为S = A xor B ，用Verilog HDL描述该异或门的代码语句为：

assign S = A ^ B;

也可以用以下代码语句表示：

assign S = (~A & B) | (A & ~B);

三、逻辑门实验任务

设计并实现二输入与门、或门、异或门以及非门电路，两个操作数用DE1-SOC的滑动开关控制，并将该四个门电路的输出结果显示在DE1-SOC开发板的4个LED上，通过操作SW滑动开关观察LED相应的变化来验证所设计电路的正确性。

1. 硬件介绍

滑动开关

如下图所示，DE1-SOC开发板上有10个滑动开关，可在电路中用作电平触发的数据输入。每个滑动开关都连接到Cyclone V FPGA对应的一个引脚，当某个滑动开关拨到向上（up）的位置时，会产生一个高电平到FPGA；当拨到向下（down）的位置时，会产生一个低电平到FPGA。

LED

如下图所示，DE1-SOC开发板上有10个红色LED。每个LED连接到Cyclone V FPGA对应的一个引脚，将这些引脚输出设置为高电平1即可点亮对应的LED，反之设置低电平0$即可使对应的LED熄灭。

2. 设计思路

本实验所实现的电路，包含了与门、或门、非门以及异或门。与门、或门以及异或门的输入为a 和b ，而输出分别为s0 ，s1 和s2 。非门的输入为a ，输出为s3 。在DE1-SOC实现该电路时，将SW[0] 和SW[1] 作为输入a 和b ，将LEDR[3]~LEDR[0] 作为输出s3~s0。

如下图举例显示了该逻辑门电路的波形图。

四、逻辑门电路设计

1. 创建一个新Quartus工程

（1） 点击电脑右下角的开始菜单找到Quartus软件，双击Quartus （Quartus Prime 17.1）打开Quartus Prime软件。

点击菜单File-->New Project Wizard弹出工程创建的对话框。

（2）在弹出的对话框中点击Next。

（3）在您的DE1-SOC 工作文件夹下创建一个lab1的文件夹，并将工程路径指向该文件夹，且工程的名称也命名lab1。

（4）连续点击3次Next得到如下界面，通过器件过滤器筛选选中DE1-SoC的Cyclone V 5CSEMA5F31C6器件。

（5）点击Next两次后得到工程的生成报告窗口，检查无误后点击Finish完成工程创建。

（6）点击Quartus菜单File------New新建一个.v文件。

（7）选择Verilog HDL File，然后点击OK完成top文件.v文件的创建。

（8）在新建的空白.v文件敲入如下Verilog代码，然后点击保存，文件名保持默认的logic_gates.v即可。

module logic_gates( //模块开头以module开始，模块命名为logic_gates
input a, //1位数据输入信号a
input b, //1位数据输入信号b
output s0, //1位输出信号s0
output s1, //1位输出信号s1
output s2, //1位输出信号s2
output s3 //1位输出信号s3
);
​
assign s0 = a & b; //将与逻辑运算结果赋值给输出信号s0
assign s1 = a | b; //将或逻辑运算结果赋值给输出信号s1
assign s2 = ~ a; //将非逻辑运算结果赋值给输出信号s2
assign s3 = a ^ b; //将异或逻辑运算结果赋值给输出信号s3
​
endmodule //模块以endmodule结束

（9）点击Quartus软件工具栏的Processing --> Start --> Start Analysis & Synthesis或点击

按钮对Verilog HDL代码执行语法检查和综合，该过程成功完成之后在Quartus软件窗口的Tasks页面中，Analysis & Synthesis旁边将显示一个绿色勾型标记，如下图所示。如果在该过程中提示有错误，请检查Verilog HDL代码语法，确保与上述代码块完全一致。

2. 对电路进行仿真

对Verilog HDL代码进行语法分析与综合确认无误之后，就可以对设计进行功能仿真（也称之为前仿真）了，这个操作是为了验证电路逻辑功能是否符合设计要求。通过功能仿真可以及时发现设计中的错误，在系统设计前期即可完成修改，提高设计可靠性。

（1） 点击Quartus软件工具栏的File --> New --> Verilog HDL File，点击OK，这样就新建了一个空白Verilog HDL文件，再点击File --> Save As ...保存，命名为logic_gates_tb.v。然后将如下仿真代码保存到logic_gates_tb.v文件中。

`timescale 1ns/1ps
​
module logic_gates_tb;  //定义逻辑门测试仿真模块，包含输入信号a,b以及输出信号s0,s1,s2,s3
    reg        a;
    reg        b;
    wire    s0;
    wire    s1;
    wire    s2;
    wire    s3; 
  
    logic_gates logic_gates_inst(    //例化逻辑门模块
​
      .a    (a),
      .b    (b),
      .s0    (s0),
      .s1    (s1),      
      .s2    (s2),     
      .s3    (s3)
);
​
  initial begin                      //设置输入信号a,b的四种不同输入组合
    // 
    a = 1'b0;
    b = 1'b0;
    # 20;
    // 
    a = 1'b0;
    b = 1'b1;
    # 20;
    //
    a = 1'b1;
    b = 1'b0;
    # 20;
    //
    a = 1'b1;
    b = 1'b1;
    # 20;
  end
​
endmodule

（2）要先将Modelsim 的安装路径设置一下，然后Quartus系统才可以自动调用指定的仿真工具。依次点击Quartus菜单Tools------Options...

将仿真工具路径指定到...intelFPGA_lite\17.1\modelsim_ase\win32aloem。

（3）点击Quartus软件工具栏的Assignments --> Settings，在弹出的Settings窗口中，选中Simulation栏，Tool name选择ModelSim-Altera，设置Quartus自动调用ModelSim。然后选择添加Test Bench文件。

点击Add和OK后，再点击OK、Aplly和OK完成仿真工具和仿真文件的设置。

（4）击Quartus软件工具栏的Tools --> Run Simulation Tool --> RTL Simulation启动ModelSim仿真。

（5）点击Wave选项卡切换到仿真波形窗口此时还看不到完整的仿真波形，可以通过点击下图所示的Zoom Full按钮来显示完整的波形。

从上面波形图可以看出：

a. 当输入a =0，b =0时，四个输出分别为s0 =0，s1 =0，s2 =1，s3=0；

b. 当输入a =0，b =1时，四个输出分别为s0 =0，s1 =1，s2 =1，s3=1；

c. 当输入a =1，b =0时，四个输出分别为s0 =0，s1 =1，s2 =0，s3=1；

d. 当输入a =1，b =1时，四个输出分别为s0 =1，s1 =1，s2 =0，s3=0。

结果与预期一致，说明本实验要求的逻辑门电路已实现。

3. 引脚分配和全编译

一般功能仿真也可以跳过不做，在分析和综合的步骤完成以后，就可以进行FPGA引脚分配了。点击Assignments------Pin Planner弹出引脚分配窗口，按照DE1-SOC 用户手册或者电路图进行引脚分配。

关于引脚分配信息可以查看DE1-SoC_v.5.1.3_HWrevF.revG_SystemCD\UserManual\DE1-SoC_User_manual.pdf第 25、26页或者E:\CD_Package\01-DE1-SoC\DE1-SoC_v.5.1.3_HWrevF.revG_SystemCD\Schematic\DE1-SoC.pdf的第3页。

这里，a和b两个操作数可以通过拨码开关SW0、SW1来控制，s0到s3信号分别输出到LEDR0到LEDR3。

关闭Pin Planner窗口，点击如下按钮进行工程的全编译。

如果编译成功，Quartus窗口右下角会显示100%，同时会在...lab1\output_files文件夹下生成一个logic_gates.sof文件。

4. 下板测试

（1）将DE1-SOC开发板和电脑用板子自带的白色USB type B 线缆连接起来。给DE1-SOC插上电源并按SW11按键进行开机。

（2）打开Quartus的Programmer工具，点击Hardware Setup，选择DE-SOC[USB-1]端口。

（3）点击Auto Detect，选择DE1-SOC对应的FPGA器件5CSEMA5。

（4）这时会出现两个器件（5CSEMA5和SOCHPS），右击器件5CSEMA5，选择Change File...，然后选择...\lab1\output_files路径下的logic_gates.sof文件。

（5） 然后勾选Program/Configure复选框，点击Start按钮开始配置FPGA。

进度条显示100%代表FPGA 配置成功。

（6）拨动SW0和SW1观察LEDR0-3的现象。

SW1、SW0分别为00：

SW1、SW0分别为01：

SW1、SW0分别为10：

SW1、SW0分别为11：