下载文档原格式
设计练习进阶前言：在前面九章学习的基础上，通过本章的练习，一定能逐步掌握Verilog HDL设计的要点。
我们可以先理解样板模块中每一条语句的作用，然后对样板模块进行综合前和综合后仿真，再独立完成每一阶段规定的练习。
当十个阶段的练习做完后，便可以开始设计一些简单的逻辑电路和系统。
很快我们就能过渡到设计相当复杂的数字逻辑系统。
当然，复杂的数字逻辑系统的设计和验证，不但需要系统结构的知识和经验的积累，还需要了解更多的语法现象和掌握高级的Verilog HDL系统任务，以及与C语言模块接口的方法（即PLI），这些已超出的本书的范围。
有兴趣的同学可以阅读Verilog语法参考资料和有关文献，自己学习，我们将在下一本书中介绍Verilog较高级的用法。
练习一．简单的组合逻辑设计目的: 掌握基本组合逻辑电路的实现方法。
这是一个可综合的数据比较器，很容易看出它的功能是比较数据a与数据b，如果两个数据相同，则给出结果1，否则给出结果0。
在Verilog HDL中，描述组合逻辑时常使用assign 结构。
注意equal=(a==b)1:0,这是一种在组合逻辑实现分支判断时常使用的格式。
模块源代码：" qual(equal),.a(a),.b(b)); 简单时序逻辑电路的设计目的：掌握基本时序逻辑电路的实现。
在Verilog HDL中，相对于组合逻辑电路，时序逻辑电路也有规定的表述方式。
在可综合的Verilog HDL模型，我们通常使用always块和@(posedge clk)或@(negedge clk)的结构来表述时序逻辑。
下面是一个1/2分频器的可综合模型。
eset(reset),.clk_in(clk),.clk_out(clk_out));endmodule仿真波形：练习：依然作clk_in的二分频clk_out，要求输出与上例的输出正好反相。
编写测试模块，给出仿真波形。
练习三. 利用条件语句实现较复杂的时序逻辑电路目的：掌握条件语句在Verilog HDL中的使用。
串行数据检测电路1010串行数据检测电路通常用于检测串行数据流中特定模式的出现，比如检测1010这样的序列。
这种电路可以应用在许多领域，比如通信系统、计算机总线、传感器接口等。
首先，让我们从电路的角度来看。
串行数据检测电路通常由几个基本部分组成，输入缓冲器、状态机和比较器。
输入缓冲器用于接收串行数据流并将其转换为并行数据，然后传递给状态机。
状态机用于检测特定的模式，比如1010，一旦检测到该模式，状态机会发出信号。
比较器用于比较接收到的数据和期望的模式，如果匹配则输出相应的信号。
其次，从应用的角度来看，串行数据检测电路可以应用在许多场景。
在通信系统中，它可以用于检测特定的控制序列或数据帧的开始和结束标记。
在计算机总线中，它可以用于检测特定的命令或数据传输模式。
在传感器接口中，它可以用于检测传感器发送的特定数据模式。
此外，从性能和设计角度来看，串行数据检测电路的设计需要考虑到数据传输速率、噪声容忍度、功耗和集成度等因素。
高速数据传输需要更快的状态机和比较器，而在噪声环境下需要更强的抗干扰能力。
此外，集成度和功耗也是设计时需要考虑的因素，特别是在移动设备和嵌入式系统中。
最后，从未来发展的角度来看，随着通信和计算机系统的不断发展，对于串行数据检测电路的需求也会不断增加。
未来的串行数据检测电路可能会更加智能化，能够实现更复杂的数据模式检测和处理，同时也会更加注重低功耗和高集成度的设计。
总的来说，串行数据检测电路是一种在现代数字系统中非常重要的功能模块，它在通信、计算机和控制系统中有着广泛的应用前景，同时也面临着不断增加的性能和设计挑战。
Project2_串⾏通信控制器代码分析与完善Project2串⾏通信控制器代码分析与完善⼀、设计背景1.串⾏通信是是指使⽤1条数据线，将多位并⾏数据(如1个Byte，8位数据)⼀位⼀位地依次传输，每⼀位数据占据⼀个固定的时间长度。
由于串⾏通信只需要少数⼏条线就可以在系统间交换信息，特别适⽤于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。
2.串⾏通信有多种⽅式，其中异步串⾏通信(asynchronous serial communication)是较为常见的⽅式之⼀。
异步串⾏通信由于具有协议简单、实现成本低等特点，其曾经在很长时间⾥是计算机间的主要通信⽅式之⼀。
虽然⽬前在服务器领域、桌⾯领域及移动领域已经被USB等⾼速同步串⾏通信⽅式占据统治地位，但在⼯业领域，特别是嵌⼊式应⽤中，异步串⾏通信仍然具有⾮常重要的地位。
3.通⽤异步收发传输器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，是⼀种异步数据收发传输器，是计算机硬件的⼀部分。
UART的主要功能为发送和接收。
其发送功能是将CPU写⼊的并⾏数据逐位输出；其接收功能是将外部发送过来的串⾏数据逐位接收完毕后，以并⾏数据⽅式供CPU读取。
4.关于串⾏通信的基本原理，请⾃学串⾏通信.pptx。
⼆、电路要求5.设计MiniUART的数据发送单元，即将并⾏数据按照指定的波特率逐位发送⾄串⾏信号线上。
6.MiniUART具有2部分接⼝信号。
其中⼀侧为CPU接⼝，符合WISHBONE协议规范，另⼀侧为RS‐232接⼝。
7.MiniUART内部功能与结构请⾃学UART.docx。
8.MiniUART⽀持的数据发送与接收均为8位数据，其CPU接⼝为32位。
MiniUART所有寄存器都按照32位设计。
三、Project输⼊⽂件9.下表中的⽂件是我们提供给你的全部⽂件。
其中有VerilogHDL设计⽂件和仿真⽂件、project说明⽂件、串⾏通信学习参考资料、Modelsim仿真学习参考资料。
串行数据流1码检测器芯片设计一、引言串行数据流1码检测器芯片是一种用于检测串行数据流中的1码的电子芯片。
它可以在高速通信系统中起到重要的作用，确保数据传输的准确性和可靠性。
本文将详细介绍串行数据流1码检测器芯片的设计原理、功能模块以及关键技术。
二、设计原理串行数据流1码检测器芯片的设计原理基于数字电路和信号处理技术。
它通过对输入的串行数据流进行解析和分析，判断其中是否存在1码，并输出相应的信号。
三、功能模块1. 输入缓冲模块：负责接收外部输入的串行数据流，并对其进行缓存，以便后续处理。
2. 时钟同步模块：利用时钟信号对输入数据进行同步，确保在高速传输过程中能够正确地读取每个比特位。
3. 数据解析模块：对输入缓冲区中的数据进行解析，判断其中是否存在1码。
4. 错误检测与纠正模块：当检测到有错误出现时，通过纠正算法尝试恢复正确的数据，并输出相应的错误标志位。
5. 输出缓冲模块：将经过处理后的正确数据输出到外部设备。
四、关键技术1. 时钟同步技术：由于高速传输中存在时钟抖动等问题，需要采用合适的时钟同步技术，确保数据能够准确地被读取。
2. 数据解析算法：设计高效的数据解析算法，能够快速准确地判断输入数据中是否存在1码，并输出相应的结果。
3. 错误检测与纠正算法：当检测到有错误出现时，需要通过纠正算法尝试恢复正确的数据。
这需要结合纠错码等技术来实现。
4. 高速传输接口设计：为了适应高速通信系统的需求，需要设计合适的高速传输接口，以确保芯片能够满足实际应用中的要求。
五、设计流程1. 确定需求：根据实际应用场景确定串行数据流1码检测器芯片的性能指标和功能要求。
2. 模块划分：将整个芯片功能划分为不同的模块，并确定各个模块之间的接口和通信方式。
3. 模块设计：对每个模块进行详细设计，包括电路原理图设计、信号处理算法设计等。
4. 整合测试：将各个模块进行整合，并进行测试验证。
确保各个模块之间的协同工作正常。
5. 优化调整：根据测试结果进行优化调整，提高芯片的性能和稳定性。
上海电力大学《FPGA应用开发》实验报告实验题目：串行数据序列检测器专业：电子科学与技术班级2017142 学号20171719 姓名李国福时间2019.12.16一、实验目的(1)掌握根据设计要求编写源代码。
(2)掌握根据仿真要求编写测试代码。
(3)掌握在Quartus II中调用ModelSim进行仿真。
二、实验任务及要求1.设计要求检测输入的串行数据序列，当检测到输入序列为LED 灯一直熄灭。
完成源代码和测试代码编写，并进行软件仿真和2.设计提示(1)引脚分布图或者基本框图如图 4-70 所示。
图 4-70 串行数据序列检测器引脚分布图(2)输入/输出引脚列表如表 4-15 如所示。
表 4-15 串行数据序列检测器输入/输出引脚列表输入信号序号信号名称位宽端口类型备注1 clk 1 I 系统时钟2 rst 1 I 复位信号3 load 1 I 加载并行数据信号4 in 4 I 并行输入的 4 位序列输出信号1 led 1 O 检测到序列为1011(3)输入/输出的关系Input:clk，rst，load，inOutput:ledIn(3:0)为一个并行输入的 4 位序列，当 load 信号有效时，并行输入被存入移位寄存器 shift_register，接着产生串行序列输出serial_out, 检测到序列 1011 时 led 点亮。
三、实验内容及步骤输入序列 1011 测试能否正确检测，同时验证输入控制键 load 是否工作。
附：仿真波形图与说明如图 4-71 所示。
四、实验总结由于采用并行数据输入，若 load 信号采用按键，加载数据时为避免加入多个输入的并行数据，可以将系统时钟 clk 进行分频得到一个合适的时钟 q（例如周期为 0.1s）。
串行数据检测器的设计数据通信中，传送的常常是一系列的二进制码。
并且其格式往往都包括：同步头、用户地址码和用户信息码。
在数据通信的接收端，同步之后，需要检测用户地址码；再接收用户信息码；最后对用户信息码进行处理。
所以，串行数据检测器常常用于数据通信的接收端。
其主要任务是：检测用户地址码，及接收用户信息码。
本次设计采用自顶向下的系统设计方法。
首先，分析设计要求，划分设计模块；其次，在顶层进行模块的连接；然后，分别进入各模块的下一层作细节设计。
因此，本次设计的原理框图可以由图2表示。
图2 串行数据检测器的原理框图一、题目假设本系统的输入信号有一个8位的用户地址码，及8位的用户信息码；只有检测到与预置数相同的用户地址码之后，才能接收接下来的用户信息码；并且要求将用户信息码送给七段译码器去译码显示。
二、目的通过本次设计，熟悉软件平台、图形和文本输入、编译、仿真和下载；掌握自顶向下的系统设计方法。
三、要求在软件工具平台上，进行系统的创建；并且在更低层次进行VHDL语言的各模块编程输入、编译仿真和下载验证。
四、步骤（一）设计分析和模块划分根据题目可知，本次设计可以划分为：用户地址码检测模块、用户信息码获取模块和LED七段译码模块等3个设计模块。
用户地址码检测模块的输入有：串行输入DIN、同步信号clk、用户地址码预置端D[7..0]、以及复位信号CLR；输出只有检测结果C。
用户信息码获取模块的输入有：串行输入DIN、同步信号clk、用户地址码检测模块的检测结果C；输出则是8位用户信息码并行输出，分别是高4位A[3..0]和低4位B[3..0]。
七段译码模块可以使用Task 1中，[程序10-2]的七段LED显示译码器LEDSP。
用两个LEDSP模块分别对高低4位A[3..0]和B[3..0]进行译码。
图3 串行数据检测器的框图级顶层设计（二）顶层设计在设计模块划分完成之后，最重要的是确定各个模块之间的连接关系，包括逻辑关系、时序关系和信息交流等。
习题6答案习题 66.1 试分析图6.83所⽰同步时序电路，写出驱动⽅程、状态⽅程和输出⽅程，并作出状态转换图，设初始状态全为0。
答案6.111001100011010D Q Q ,D Q ,Q Q Q ,Q Q ,Y Q Q ++=====n n 。
状态转换图见图P6.16.2 试分析图6.84(a)所⽰电路，写出驱动⽅程、状态⽅程和输出⽅程，并画出对应输⼊信号X 的输出Q 2、Q 1和Y 的波形（设起始状态为00）。
答案6.2 时序图见图P6.2。
驱动⽅程X K X J X K XQ J 22121====状态⽅程221n 21121n 1Q X XQ Q Q X Q XQ Q +=+=++ 输出⽅程1XQ Y =6.3 试分析图6.85所⽰电路的计数顺序，画出电路的状态转换图，判断是模⼏计数器，有⽆⾃启动功能。
(a) 电路 (b) 输⼊波形图6.84 题图6.2图6.83 题图6.1第6章时序逻辑电路98图6.85 题图6.3答案 6.3 2323123312121231Q Q Y Q K Q Q J Q Q K Q J 1K Q Q J =======模七进制6.4 试分析图6.86时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动⽅程、状态⽅程和输出⽅程，画出电路的状态转换图。
答案6.4 驱动⽅程1K Q Q J 1K 1J 1K Q J 321322131======状态⽅程3121n 3121n 2131n 1Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q =↓?==+++6.5 试分析图6.87所⽰的时序电路，写出电路的驱动⽅程、状态⽅程和输出⽅程，画出电路的状态转换图，设初始状态全为0。
答案6.5 D 0 = A ⊕Q 0，T 1 = Q 0，Y = AQ 1，状态转换图见图P6.5。
图6.86 题图6.4 图6.87 题图6.56.6 试分析图6.88所⽰的时序电路，画出在时钟CLK 作⽤下，Q 1的输出波形。
课程设计序列检测器的设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解序列检测器的基本概念、原理和应用；2. 掌握序列检测器的组成部分，包括触发器、计数器等；3. 学会分析序列检测器的逻辑功能，并能正确绘制其逻辑图；4. 了解序列检测器在数字电路中的应用，如通信、计算机等领域。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识设计简单序列检测器的能力；2. 提高学生动手实践能力，学会使用相关仪器、设备进行序列检测器的搭建和调试；3. 培养学生团队协作能力，学会与他人共同分析问题、解决问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路的兴趣，激发他们探索科学技术的热情；2. 培养学生严谨、认真的学习态度，养成良好地分析和解决问题的习惯；3. 增强学生的创新意识，鼓励他们勇于尝试新方法，培养创新精神。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程将目标分解为以下具体学习成果：1. 学生能够准确描述序列检测器的原理和组成部分；2. 学生能够独立绘制并解释序列检测器的逻辑图；3. 学生能够设计并搭建一个简单的序列检测器电路；4. 学生能够运用所学知识分析并解决实际数字电路问题；5. 学生在团队协作中，能够积极参与、沟通、分享，共同完成任务。
二、教学内容本章节教学内容依据课程目标，结合教材第二章“数字电路基础”相关内容，组织以下教学大纲：1. 序列检测器原理及分类- 序列检测器的基本概念- 序列检测器的工作原理- 序列检测器的分类及应用2. 序列检测器的组成部分- 触发器的类型与功能- 计数器的作用与分类- 逻辑门电路的基本原理3. 序列检测器逻辑设计与分析- 逻辑图的绘制方法- 序列检测器逻辑设计步骤- 常见序列检测器逻辑分析实例4. 序列检测器应用案例- 通信系统中序列检测器的应用- 计算机领域中的序列检测器- 其他数字电路中的实际应用案例5. 实践操作：序列检测器设计与搭建- 设计一个简单的序列检测器电路- 使用仪器、设备进行电路搭建和调试- 分析实验结果，优化设计方案教学内容安排和进度如下：第1周：序列检测器原理及分类第2周：序列检测器的组成部分第3周：序列检测器逻辑设计与分析第4周：序列检测器应用案例及实践操作三、教学方法针对本章节内容，采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：教师以教材为依据，系统讲解序列检测器的基本概念、原理、分类及应用。
串行数据检测器的设计
数据通信中，传送的常常是一系列的二进制码。
并且其格式往往都包括：同步头、用户地址码和用户信息码。
在数据通信的接收端，同步之后，需要检测用户地址码；再接收用户信息码；最后对用户信息码进行处理。
所以，串行数据检测器常常用于数据通信的接收端。
其主要任务是：检测用户地址码，及接收用户信息码。
本次设计采用自顶向下的系统设计方法。
首先，分析设计要求，划分设计模块；其次，在顶层进行模块的连接；然后，分别进入各模块的下一层作细节设计。
因此，本次设计的原理框图可以由图2表示。
图2 串行数据检测器的原理框图
一、题目
假设本系统的输入信号有一个8位的用户地址码，及8位的用户信息码；只有检测到与预置数相同的用户地址码之后，才能接收接下来的用户信息码；并且要求将用户信息码送给七段译码器去译码显示。
二、目的
通过本次设计，熟悉软件平台、图形和文本输入、编译、仿真和下载；掌握自顶向下的系统设计方法。
三、要求
在软件工具平台上，进行系统的创建；并且在更低层次进行VHDL语言的各模块编程输入、编译仿真和下载验证。
四、步骤
（一）设计分析和模块划分
根据题目可知，本次设计可以划分为：用户地址码检测模块、用户信息码获取模块和LED七段译码模块等3个设计模块。
用户地址码检测模块的输入有：串行输入DIN、同步信号clk、用户地址码预置端D[7..0]、以及复位信号CLR；输出只有检测结果C。
用户信息码获取模块的输入有：串行输入DIN、同步信号clk、用户地址码检测模块的检测结果C；输出则是8位用户信息码并行输出，分别是高4位A[3..0]和低4位B[3..0]。
七段译码模块可以使用Task 1中，[程序10-2]的七段LED显示译码器LEDSP。
用两个LEDSP模块分别对高低4位A[3..0]和B[3..0]进行译码。
图3 串行数据检测器的框图级顶层设计
（二）顶层设计
在设计模块划分完成之后，最重要的是确定各个模块之间的连接关系，包括逻辑关系、时序关系和信息交流等。
本设计中联系各个模块的是串行输入的同步信号（clk）；用户信息码获取模块和七段译码模块的工作，都受控于用户地址码检测模块的输出（C），只有检测到输入数据是用户地址码输出C才有效，后面两个模块才能工作。
由上面的分析，可以得到串行数据检测器的框图级顶层设计，如图3所示。
在工具软件的顶层，用图形输入法完成图3串行数据检测器的框图级顶层设计。
（三）用VHDL文本输入方式，进行各个模块的设计输入
在顶层的图形编辑器下，定义各模块为VHDL文本形式；双击某一模块，进入低一层的设计。
各模块的VHDL文本输入的过程，参见上一节的介绍。
这里给出它们的源程序。
1．用户地址码检测模块
[程序10-4]
LIBRARY IEEE ;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY CHK IS
PORT( DIN : IN STD_LOGIC ; --串行输入数据位
CLK, CLR : IN STD_LOGIC ; --工作时钟/复位信号
D : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --8 位待检测预置数
C : OUT STD_LOGIC); --检测结果输出
END CHK;
ARCHITECTURE one OF CHK IS
SIGNAL Q : INTEGER RANGE 0 TO 8 ;
BEGIN
PROCESS( CLK, CLR )
BEGIN
IF CLR = '1' THEN Q <= 0 ;
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN --时钟到来时判断并处理当前输入的位CASE Q IS
WHEN 0=> IF DIN = D(7) THEN Q <= 1 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 1=> IF DIN = D(6) THEN Q <= 2 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 2=> IF DIN = D(5) THEN Q <= 3 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 3=> IF DIN = D(4) THEN Q <= 4 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 4=> IF DIN = D(3) THEN Q <= 5 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 5=> IF DIN = D(2) THEN Q <= 6 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 6=> IF DIN = D(1) THEN Q <= 7 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN 7=> IF DIN = D(0) THEN Q <= 8 ; ELSE Q <= 0 ; END IF ;
WHEN OTHERS => Q <= 0 ;
END CASE ;
END IF ;
END PROCESS ;
PROCESS( Q ) --检测结果判断输出
BEGIN
IF Q = 8 THEN C <= "1" ; --序列数检测正确输出1
ELSE C <= "0" ; --序列数检测错误输出0
END IF ;
END PROCESS ;
END one ;
2．用户信息码接收模块
用户信息码接收模块可以用一个8位移位寄存器来实现。
[程序10-5]
LIBRARY IEEE ;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY imf IS
PORT( DIN : IN STD_LOGIC ; --串行输入数据位
CLK, CLR : IN STD_LOGIC ; --工作时钟/复位信号
A : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
B : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END imf;
ARCHITECTURE two OF imf IS
SIGNAL Q : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) ;
BEGIN
PROCESS( clk, CLR )
BEGIN
IF CLR = '0' THEN Q (7 DOWNTO 0) <= "00000000" ;
ELSIF clk'EVENT AND clk='1' THEN
Q(0) <= DIN ;
FOR i IN 7 DOWMTO 1 LOOP
Q(i) <= Q(i -1) ;
END LOOP
END IF ;
END PROCESS ;
PROCESS
BEGIN
A(3 DOWNTO 0) <= Q(7 DOWNTO 4);
B(3 DOWNTO 0) <= Q(3 DOWNTO 0);
END PROCESS ;
END two;
3．译码器模块LEDSP
在上一节中，已经详细介绍过七段LED显示译码器。
并且，[程序12-2]已经生成可以调用的元件图形符号“LEDSP”。
本系统需要用到两个七段LED显示译码器LEDSP，同时显示两个十六进制数。
所以，可调用两个七段LED显示译码器的元件图形符号“LEDSP”。
4．编译、仿真和编程下载
到这里是整个系统的编译、仿真和编程下载。
该步骤参见第二篇的有关介绍。
五、思考题
假设本系统的输入信号有一个8位的用户地址码，及20位的用户信息码；要求提取这20位用户信息码的中间12位，送给3个七段数码管显示出来；重新实现该系统设计。
