组合逻辑VHDL设计——门电路

数字逻辑原理与VHDL设计课程设计一、课程设计背景数字逻辑原理与VHDL设计是数字集成电路设计专业中的一门重要基础课程，内容涵盖数字电路基础知识、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计以及数字电路综合和优化等方面。

本课程设计旨在以实践为主，巩固和加深学生的理论知识，提高学生综合运用数字逻辑原理和VHDL语言进行数字电路设计的能力。

二、实验目的通过本次课程设计，要求学生对数字逻辑原理及其应用有更加深入的认识，并掌握以下专业能力：1.掌握数字逻辑电路的基本知识与方法，以及基于VHDL设计数字电路的基本步骤与方法；2.能够运用数字逻辑原理及VHDL语言进行简单数字电路的设计、仿真、综合和下载；3.能够独立进行数字电路设计并解决设计过程中遇到的问题。

三、实验设备和工具1.Xilinx Vivado软件，用于数字电路的综合和仿真；2.FPGA开发板，用于数字电路的下载和实现；3.电脑，用于Vivado软件的安装和使用。

四、实验内容和步骤实验一函数计算器的设计与实现实验目的通过设计一个函数计算器，深入理解组合逻辑电路的设计、实现和仿真过程，同时练习使用VHDL语言进行数字电路的编写、仿真和下载。

实验内容设计一个函数计算器，能够计算并显示四个前缀表达式，包括：–23 45–11 + 22 * 33–23 - 45 / 561./ 45 + 67 - 89其中，加减乘除的运算需要满足基本的优先级规则，即在没有括号的情况下，先乘除后加减。

实验步骤1.设计并编写函数计算器的VHDL代码，包括各种运算模块、数字选择器、显示器控制器等；2.在Vivado软件中进行仿真，验证函数计算器设计的正确性；3.将函数计算器设计综合成比特流文件，下载到FPGA开发板上进行实现和测试。

实验二五位计数器的设计与实现实验目的通过设计一个五位同步加法计数器，深入理解时序逻辑电路的原理、设计和实现过程，同时掌握VHDL语言对时序电路进行设计、仿真和下载的方法。

组合逻辑电路分析与设计实验报告一、实验目的：1. 掌握逻辑设计基本方法2. 能够自己设计简单逻辑电路，并能用VHDL描述3. 理解输出波形和逻辑电路功能之间的关系二、实验设备与器材：1. 实验箱一套（含数字信号发生器、逻辑分析仪等测量设备）2. 电缆若干三、实验原理：组合逻辑电路是指由与或非门等基本逻辑门或它们的数字组合所构成的电路。

对于组合逻辑电路而言，不需要任何时钟信号控制，它的输出不仅能直接受到输入信号的影响，同时还与其输入信号的时序有关，输入信号的任何改变都可能导致输出信号的变化，因此组合逻辑电路的输出总是与它的输入存在着一个确定的逻辑关系。

本实验通过学习与实践，让学生从具体的组合逻辑电路出发，逐步掌握数字逻辑电路设计技术，了解逻辑电路的设计过程，掌握用组合逻辑门件构成数字系统的方法，提高学生设计和分析组合逻辑电路的能力。

四、实验内容及步骤：本实验的基本内容是设计一个可以进行任意二进制数求和的组合逻辑电路，并用VHDL 语言描述该电路。

其主要步骤如下：1. 设计电路的逻辑功能，确定电路所需基本逻辑门电路元件的类型和数量。

2. 画出电路的逻辑图并进行逻辑延迟估算。

3. 利用VHDL语言描述电路功能，并利用仿真软件验证电路设计是否正确。

4. 利用实验箱中的数字信号发生器和逻辑分析仪验证电路设计是否正确。

五、实验结果与分析：我们首先设计了一个可以进行单位位的二进制数求和的电路，即输入两个1位二进制数和一个进位信号，输出一个1位二进制数和一个进位信号。

注意到，当输入的两个二进制数为同等真值时，输出的结果即为原始输入中的异或结果。

当输入的两个二进制数不同时，输出需要加上当前进行计算的进位，同时更新输出进位信号的取值。

我们继续将此电路扩展到多位数的情况。

假设输入两个n位的二进制数a和b，我们需要得到一个(n+1)位的二进制数c，使得c=a+b。

我们需要迭代地对每一位进行计算，并在计算每一位时将其前一位的进位值也列入计算中。

VHDL与数字电路设计实验报告引言本实验旨在通过使用VHDL编程语言和数字电路设计技术，实现特定功能的电路设计。

本文档将对实验的步骤、设计原理和结果进行详细描述。

实验步骤1. 步骤一：熟悉VHDL编程语言在实验开始之前，团队成员对VHDL编程语言进行了研究和熟悉。

我们了解了VHDL的基本语法、数据类型和结构，并获得了对VHDL设计原理的初步理解。

2. 步骤二：设计功能电路在本实验中，我们选择了一个特定的功能电路进行设计。

我们首先进行了功能需求分析，并根据需求确定了电路的输入输出信号以及主要的逻辑运算。

然后，我们使用VHDL编程语言将电路的逻辑运算实现为代码，并进行了仿真和测试。

3. 步骤三：电路仿真和验证为了验证我们设计的电路功能的正确性，我们使用了VHDL仿真工具进行了电路的仿真和验证。

我们根据输入信号的不同组合，观察输出信号的变化，并与我们预期的结果进行比较。

通过这一步骤，我们确认了我们设计的电路能够按照预期工作。

4. 步骤四：电路实现和测试在确认电路的设计和仿真结果无误之后，我们进一步将电路实现到实际的数字电路平台上，并进行了硬件测试。

我们使用实际的输入信号来测试电路的性能和稳定性，并对输出信号进行观察和分析。

通过这一步骤，我们验证了电路在实际环境中的可行性。

设计原理我们设计的电路基于特定的功能需求，采用了经典的数字电路设计原理。

通过使用VHDL编程语言，我们将电路的逻辑运算实现为逻辑门和触发器的组合。

通过将输入信号连接到适当的逻辑门和触发器，我们实现了所需的功能。

结果与分析经过实验步骤的完成，我们成功地设计和实现了一个具有特定功能的数字电路。

在仿真测试和实际测试中，电路都表现出了良好的性能和稳定性。

根据结果的分析，我们验证了电路的设计原理和逻辑的正确性。

结论本实验通过使用VHDL编程语言和数字电路设计技术，成功地实现了一个具有特定功能的电路设计。

我们的实验结果表明，VHDL和数字电路设计技术在电路设计领域具有重要的应用价值。

实验二组合逻辑电路的VHDL实现一、实验目的掌握使用VHDL语言进行时序逻辑电路设计的方法。

二、实验设备及器件IBM PC机一台三、实验内容（1）用VHDL 语言设计一个D触发器，对程序进行编译和仿真，并记录仿真波形。

提示：D触发器的符号如右图所示，当时钟信号输入端CLK接收到上升沿信号时，输入端D的信号被传送到输出端Q输出，否则输出端Q维持原来的状态不变。

实验代码：D触发器LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ;ENTITY DFF1 ISPORT (CLK : IN STD_LOGIC ;D : IN STD_LOGIC ;Q : OUT STD_LOGIC );END ;ARCHITECTURE bhv OF DFF1 ISSIGNAL Q1 : STD_LOGIC ; --类似于在芯片内部定义一个数据的暂存节点BEGINPROCESS (CLK)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK = '1'THEN Q1 <= D ;END IF;Q <= Q1 ; --将内部的暂存数据向端口输出END PROCESS ;END bhv;（2）用VHDL语言设计一个十进制加法计数器，对程序进行编译和仿真，并记录仿真波形。

提示：十进制加法计数器的电路如下图所示，在时钟信号的驱动下，计数器进行累加，每次加1，其输出状态由0000变化到1001，加满回零。

当复位输入端reset为低电平时，计数器复位，输出状态回到0000。

十进制加法计数器电路图实验代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY jsq10 ISPORT(CLK,RESET:IN STD_LOGIC;Q:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));END jsq10;ARCHITECTURE ONE OF jsq10 ISBEGINPROCESS(CLK,RESET)BEGINIF(RESET='0') THEN Q<="0000";ELSIF(CLK' EVENT AND CLK='1') THENQ<="0000";ELSEQ<=Q+1;END IF;END IF;END PROCESS;END ONE;（3）用VHDL语言设计一个电平锁存器，对程序进行编译和仿真，并记录仿真波形。

组合逻辑电路的特点及描述测验1下列不属于组合逻辑电路的逻辑功能描述方式的是。

A.真值表B.逻辑电路图C.波形图D.数理方程2下列描述组合逻辑电路的方式中具有惟一性的是。

A.卡诺图B.逻辑电路图C.波形图D.VHDL3组合逻辑电路的特点是“入变出即变"。

A.√B.×4仅由与非门构成的逻辑电路一定是组合电路。

A.√B.×5组合逻辑电路在电路结构上只由逻辑门组成，不包含元件，输入和输出之间无反馈。

组合逻辑电路门级电路分析随堂测验1一个4输入端或非门，使其输出为1的输入变量组合有种。

A.1B.4C.8D.152如下图所示，输出F为1，A、B、C的取值应为。

A.101B.011C.110D.1113分析下图所示电路的逻辑功能，求出其输出的逻辑表达式，并说明电路逻辑功能的特点,下列正确的选项是。

A.，格雷码变换电路B.，三变量的奇偶检测电路C.，格雷码变换电路D.，三变量的奇偶检测电路4组合逻辑电路的分析是指。

A.已知逻辑要求，列真值表的过程B.已知逻辑要求，求解逻辑表达式并画逻辑图的过程C.已知逻辑电路图，求解逻辑表达式并化简的过程D.已知逻辑电路图，求解或验证逻辑功能的过程5分析下图的逻辑电路，其中Y1的逻辑函数表达式为：A.B.A⊙B⊙CC.D.组合逻辑电路门级电路设计随堂测验1组合逻辑电路的一般设计流程包括以下步骤：A、进行逻辑抽象；B、将逻辑函数化简或变换成适当的形式;C、写出逻辑函数式D、选定器件的类型;E、工艺设计;F、画出逻辑电路图。

则这些步骤正确的排序是：。

A.A->D->C->B->F->EB.A->C->E->F->B->DC.A->C->D->B->F->ED.A->C->B->D->E->F2用与非门设计四变量的多数表决电路，当输入变量A、B、C、D有三个或三个以上为1时输出为1，输入为其他状态时输出为0。

vhdl 组合逻辑电路VHDL组合逻辑电路VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统级电路的行为和结构。

VHDL可以用于设计、仿真和验证电子系统。

在数字电路设计中，组合逻辑电路是一种重要的电路类型，本文将重点介绍VHDL中的组合逻辑电路。

一、组合逻辑电路简介组合逻辑电路是由输入端、输出端和逻辑门构成的电路。

它的输出仅取决于当前的输入，而与过去的输入无关。

组合逻辑电路的主要特点是没有存储元件，也就是说输出只与输入有关，不受时间的影响。

二、VHDL语言描述组合逻辑电路1. 实体声明在VHDL中，组合逻辑电路可以通过实体声明来描述。

实体声明包括实体头和实体体两部分。

实体头部分定义了实体名称、输入端口和输出端口，并且可以定义参数和模式等信息。

例如：实体名称：AND2输入端口：A, B输出端口：Y实体体部分定义了实体的行为，使用逻辑表达式来描述输出与输入之间的关系。

例如：实体体部分：Y <= A AND B;2. 架构声明架构声明用于描述实体的具体实现。

在架构声明中，可以使用信号、变量、常数、函数等来描述电路的行为。

例如：架构声明：架构 Behavioral of AND2 is开始信号 temp: bit;开始temp <= A AND B;Y <= temp;结束 Behavioral;三、VHDL组合逻辑电路的应用举例1. 与门（AND）与门是最基本的逻辑门之一，它的输出为输入信号的逻辑与运算结果。

在VHDL中，可以通过以下代码来实现一个2输入与门：实体声明：实体名称：AND2输入端口：A, B输出端口：Y实体体部分：Y <= A AND B;2. 或门（OR）或门是另一种基本的逻辑门，它的输出为输入信号的逻辑或运算结果。

在VHDL中，可以通过以下代码来实现一个2输入或门：实体声明：实体名称：OR2输入端口：A, B输出端口：Y实体体部分：Y <= A OR B;3. 非门（NOT）非门是最简单的逻辑门，它的输出为输入信号的逻辑非运算结果。

可编程逻辑器件及EDA技术实验报告一、组合逻辑电路设计数字逻辑电路按照逻辑功能的特点分为两类，一类是组合逻辑电路，简称为组合电路；另一类是时序逻辑电路，简称为时序电路。

组合电路的特点是电路任意时刻输出状态只取决该时刻的输入状态，而与该时刻钱的电路状态无关。

1、逻辑门电路设计实验原理：逻辑门电路包括基本逻辑门电路和符合逻辑门电路。

VHDL语言可以直接支持的逻辑运算符共有七种逻辑运算，它们是：NOT 逻辑非AND 逻辑与NAND 逻辑与非OR 逻辑或NOR 或非XOR 异或XNOR 异或非实验内容：例3-2的参考程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee. std_logic_unsigned.all;entity example3_2 isport(a,b,c,d:in std_logic;f:out std_logic_vector(3 downto 0));end example3_2;architecture behavioral of example3_2 isbeginf(0)<=(a and b)or(b and c)or(not b and not c);f(1)<=(a and b and c)or not(not a or not b or not c);f(2)<=(a xor b xor c)or(not(d)and(a or c));f(3)<=not ((a and b)xor (c and d))or((a and b and d)xor(b and c and d));end behavioral;实验分析：用逻辑运算符是实现了相对较为复杂的逻辑运算。

参考程序中使用括号来强制控制逻辑运算的优先级，对于用VHDL设计，这种写法是必修的。

实验一 组合逻辑电路的设计一、实验目的：1、 掌握组合逻辑电路的设计方法。

2、 掌握组合逻辑电路的静态测试方法。

3、 加深FPGA 设计的过程，并比较原理图输入和文本输入的优劣。

4、 理解“毛刺”产生的原因及如何消除其影响。

5、 理解组合逻辑电路的特点。

二、实验的硬件要求：1、 EDA/SOPC 实验箱。

2、 计算机。

三、实验原理1、组合逻辑电路的定义数字逻辑电路可分为两类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。

组合逻辑电路中不包含记忆单元（触发器、锁存器等），主要由逻辑门电路构成，电路在任何时刻的输出只和当前时刻的输入有关，而与以前的输入无关。

时序电路则是指包含了记忆单元的逻辑电路，其输出不仅跟当前电路的输入有关，还和输入信号作用前电路的状态有关。

通常组合逻辑电路可以用图1.1所示结构来描述。

其中，X0、X1、…、Xn 为输入信号， L0、L1、…、Lm 为输出信号。

输入和输出之间的逻辑函数关系可用式1.1表示： 2、组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计任务是根据给定的逻辑功能，求出可实现该逻辑功能的最合理组 合电路。

理解组合逻辑电路的设计概念应该分两个层次：（1）设计的电路在功能上是完整的，能够满足所有设计要求；（2）考虑到成本和设计复杂度，设计的电路应该是最简单的，设计最优化是设计人员必须努力达到的目标。

在设计组合逻辑电路时，首先需要对实际问题进行逻辑抽象，列出真值表，建立起逻辑模型；然后利用代数法或卡诺图法简化逻辑函数，找到最简或最合理的函数表达式；根据简化的逻辑函数画出逻辑图，并验证电路的功能完整性。

设计过程中还应该考虑到一些实际的工程问题，如被选门电路的驱动能力、扇出系数是否足够，信号传递延时是否合乎要求等。

组合电路的基本设计步骤可用图1.2来表示。

3、组合逻辑电路的特点及设计时的注意事项①组合逻辑电路的输出具有立即性，即输入发生变化时，输出立即变化。

（实际电路中图 1.1 组合逻辑电路框图L0=F0(X0,X1,²²²Xn)² ² ²Lm=F0(X0,X1,²²²Xn)（1.1）图 1.2 组合电路设计步骤示意图图还要考虑器件和导线产生的延时）。