嵌入式硬件技术实验指导书

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1、 《 嵌入式硬件技术 》         实  验  指  导  书            编 写           适用专业： 通信工程                                                                                        闽江学院 计算机科学 系        2010年  9月 前   言        嵌入式硬件技术实验由验证性实验一、Quartus II软件的使用，综合性实验二、组合逻辑与时序电路综合

2、设计，验证性实验三、Protel软件的使用构成，通过实验应达到下列要求： 1.熟习Quartus II软件的使用。掌握该软件的用法，包括Verilog HDL语言的编程、仿真、下载等的方法，为后续的综合实验打下基础。 2.加深对数字系统中电源、组合逻辑、时序电路各部分原理的理解；熟悉各个功能部件的设计、分析与仿真；能根据要求设计一个数字系统，并在Quartus II软件上用Verilog HDL语言进行编程设计、仿真实现、最后下载到CPLD或FPGA开发板上运行。 3.熟习Protel软件的使用。掌握该软件的用法，包括模拟和数字系统硬件原理图的绘制、仿真分析、PCB板的设计与制作等。

3、4．由于这门课程的实验需要大量的时间练习，但受实验课时的限制需要学生课外补足（12到20学时），因此要求学生在实验前先预习实验内容并根据实验大纲的说明先期做好实验的准备（如系统设计电路草图、Verilog HDL语言程序等）。        本指导书对综合性实验只给出设计的要求和指标不给实验源代码，由学生自己设计、编译、调试并运行；通过实验结果理解数字系统硬件的组成、原理与实现方法；在实验报告中回答思考题。      目    录 实验一 Quartus II软件的使用 3 实验二 组合逻辑与时序电路综合设计 7 实验三 P

4、rotel软件的使用 9 实验一 Quartus II软件的使用 实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修 一、实验目的 1、掌握Quartus II软件的用法。 2、熟悉Verilog HDL语言的语法。 3、练习Verilog HDL语言的编程。 4、学会仿真、管脚约束、下载的方法。 二、实验内容 1、熟悉并使用Quartus II软件 2、阅读并编译实验例程 用Quartus II编译实验例程。 3、下载或仿真运行程序并对照实验源

5、程序阅读理解实验结果的含义。 三、实验原理、方法和手段 根据实验例程，编辑并仿真运行数字系统中的组合逻辑：加法器、比较器、三态驱动器；时序电路：4位计数器、4 选1 数据选择器、简单算术逻辑单元。了解通过硬件描述语言的编程实现单元硬件的功能。通过仿真过程中显示的状态和有关输出情况学习组合逻辑与时序电路的原理和实现方法。 四、实验组织运行要求 根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。 重点：用Verilog HDL语言实现组合逻辑与时序电路。 难点：用Verilog HDL语言实现时序电路。 五、实验条件 具备Windows操作系统、带有Qu

6、artus II软件的PC机。 六、实验步骤 1、阅读例程源代码 2、编译、运行 3、记录并理解运行显示的信息 4、回答思考题并撰写实验报告 七、思考题 1、 简单介绍一下串行语句和并行语句的概念。 2、 Verilog HDL语言有哪几种主要的数据类型？可否说明它的简单用法？。 3、 数字电路设计有那几种层次，可否分别举个例子？ 4、 当前两种硬件描述语言是什么？ 5、 假设一D触发器组的器件 Reg8，输入信号 Din，输出信号Qout，位宽8位，时钟信号Clk，异步复位信号Rst，用于实现对8位数据总线的寄存，请描述出module 语句，并画出电路的示意图。

7、 6、 在实验报告中完成问题 1、2、3、4、5的说明。 八、实验报告 1、实验预习        在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。         设计性实验要求进入实验室前写出实验方案，并经指导教师审阅后实施。 2、实验记录        学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。     

8、   实验记录中应有指导教师的签名。 3、实验报告       主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法。 九、实验例程 示例[1] 加法器 module addr (a, b, cin, count, sum); input [2:0] a; input [2:0] b; input cin; output count; output [2:0] sum; assign {count,sum} = a +b + cin; endmodule 示例[2] 比较器 m

9、odule compare （equal，a，b）； input [1:0] a,b; // declare the input signal ; output equare ; // declare the output signal; assign equare = (a == b) ? 1:0 ; / * if a = b , output 1, otherwise 0；*/ endmodule 示例[3] 三态驱动器 module mytri (din, d_en, d_out); input din; input d_en; output d_out; //

10、 -- Enter your statements here -- // assign d_out = d_en ? din :'bz; endmodule module trist (din, d_en, d_out); input din; input d_en; output d_out; // -- statements here -- // mytri u_mytri(din,d_en,d_out); endmodule 该例描述了一个三态驱动器。其中三态驱动门在模块 mytri 中描述，而在模块trist 中调用了模块mytri 。模块mytri 对trist

11、而言相当于一个已存在的器件，在trist 模块中对该器件进行实例化，实例化名 u_mytri 。 示例[4] 4位计数器 module count4(out,reset,clk); output[3:0] out; input reset,clk; reg[3:0] out; always @(posedge clk) begin if (reset) out<=0; //同步复位 else out<=out+1; //计数 end endmodule 示例[5] 用case 语句描述的4 选1 数据选择器 module mux4_1(out,in0,in1,

12、in2,in3,sel); output out; input in0,in1,in2,in3; input[1:0] sel; reg out; always @(in0 or in1 or in2 or in3 or sel) //敏感信号列表 case(sel) 2'b00: out=in0; 2'b01: out=in1; 2'b10: out=in2; 2'b11: out=in3; default: out=2'bx; endcase endmodule 示例[6] 用always 过程语句描述的简单算术逻辑单元 `define add 3'd0

13、 `define minus 3'd1 `define band 3'd2 `define bor 3'd3 `define bnot 3'd4 module alu(out,opcode,a,b); output[7:0] out; reg[7:0] out; input[2:0] opcode; //操作码 input[7:0] a,b; //操作数 always@(opcode or a or b) //电平敏感的always 块 begin case(opcode) `add: out = a+b; //加操作 `minus: out = a-b; //减操作

14、 `band: out = a&b; //求与 `bor: out = a|b; //求或 `bnot: out=~a; //求反 default: out=8'hx; //未收到指令时，输出任意态 endcase end endmodule 实验二 组合逻辑与时序电路综合设计 实验学时：6 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的 1、进一步加深对Quartus II软件的使用。 2、进一步熟悉用Verilog HDL语言进行编程设计。 3、练习综合应用一个小型的数字系统。 二、实验内容 1、根据要求实现一个简单的交通灯控

15、制器 要求： A、每个方向四盏灯（左拐灯、绿灯、黄灯和红灯）可以控制其亮灭； B、用两个LED数码管显示每个方向灯的倒计时显示时间（左拐灯、绿灯25秒，黄灯6秒，红灯20秒）。 C、设置按键实现倒计时时间可调。 2、根据要求实现一个多功能数字钟 要求： A、 计时功能，显示分、秒（各俩位）。 B、 系统时钟为11.05926MHz。 C、 闹钟功能，产生闹铃音、报时音的时钟信号其频率为 1024Hz D、手动校时功能。 3、自己设计、编译、调试、仿真运行程序并理解实验中输入、输出的含义。 三、实验原理、方法和手段 交通灯需要一个计时单元用于产生标准的秒脉冲，并对设定

16、的时间进行计数。交通灯实验的核心是控制部分，即要求左拐灯和绿灯亮25秒，接着黄灯亮6秒，最后红灯亮20秒；当红灯灭后绿灯点亮，这样周而复始。LED灯采用动态显示。 多功能数字钟由秒脉冲发生电路、计数定时部分、数字显示部分和时钟调校部分组成。通过对系统时钟进行分频得到1Hz的秒脉冲；LED灯采用动态显示；调教部分可设置多个按键，例如K1、K2、K3分别用于控制计时开始、调校功能选择、加1或减1调整等。 四、实验组织运行要求 根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。 重点：设计计时单元产生标准的秒脉冲、LED的动态显示。 难点：按键的设计。 五、实

17、验条件 具备Windows操作系统、带有Quartus II软件的PC机、DP-MCU/Atera综合仿真试验仪。 六、实验步骤 1、阅读每个问题的要求。 2、设计程序并编译、下载或仿真运行。 3、记录并理解运行显示的信息 4、回答思考题并撰写实验报告 七、思考题 1、比较LED的静态显示与动态显示。 2、总结计数器的实现方法。 3、总结分频的公式。 4、说明按键设计的方法。 5、在实验报告中完成问题 1、2、3、4的讨论与说明。 八、实验报告 1、实验预习        在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写

18、出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。         设计性实验要求进入实验室前写出实验方案，并经指导教师审阅后实施。 2、实验记录        学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。        实验记录中应有指导教师的签名。 3、实验报告       主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实

19、验结论或提出自己的看法。 实验三 Protel软件的使用 实验学时：4 实验类型：验证 实验要求：必修 一、实验目的 1、掌握Protel软件的用法。 2、熟悉硬件电路原理图的绘制。 3、熟悉PCB图的产生与手工绘制。 4、掌握电路的仿真。 二、实验内容 1、自己查找实验电路 建议：用电源、单片机及接口电路。 2、绘制例程电路 用Protel软件绘制实验电路。 3、产生PCB图，根据排版原则，检查是否需要手工修改。 4、仿真原理电路。 三、实验原理、方法和手段 根据实验例程电路，绘制电路图并仿真运行以检查其功能和指标是否能够实现。通过仿真过程中显示的状

20、态和有关输出情况学习具体电路的原理和实现方法。 四、实验组织运行要求 根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。 重点：掌握用Protel软件绘制实验电路、产生PCB图，根据排版原则，检查是否需要手工修改。 难点：实验电路的仿真。 五、实验条件 具备Windows操作系统、带有Protel软件的PC机。 六、实验步骤 1、理解实验电路 2、绘制原理图并仿真其功能。 3、记录并理解仿真中显示的信息 4、回答思考题并撰写实验报告 七、思考题 1、总结电路图绘制的技巧。 2、说明产生PCB图的方法。 3、总结电路布线的原则。

21、 4、描述仿真中出现的问题及解决的方法。 5、在实验报告中完成问题 1、2、3、4的讨论说明。 八、实验报告 1、实验预习        在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。         设计性实验要求进入实验室前写出实验方案，并经指导教师审阅后实施。 2、实验记录        学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。        实验记录中应有指导教师的签名。 3、实验报告        主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法。 九、实验电路 根据所学过的课程在教材或互联网上按大纲的建议查找实验电路。 12