Verilog数字电路设计--实验报告.docx

Verilog数字电路设计实验名称Verilog数字电路设计班级130324姓名张先炳13031205同组者廖瑞13031191自动化与电气工程学院2016年 4月25 日目录目录目录2实验一 简单组合逻辑设计11 实验目的12 实验设备13 实验内容14 实验代码15 仿真结果2选作一：设计一个字节的比较器31 实验要求32 模块代码33 测试代码34 仿真结果4实验二 简单分频时序逻辑电路的设计41 实验目的42 实验设备43 实验内容54 实验代码55 仿真结果6选作二：七段数码管译码电路61 实验要求62 模块代码73 测试代码84 仿真结果8实验三：利用条件语句实现计数分频时序电路91 实验目的92 实验设备93 实验内容94 实验代码95 仿真结果116 实验分析11选作三：设计一个单周期形状的周期波形。111 实验要求112 模块代码113 测试代码124 仿真结果13实验四：用always块实现较复杂的组合逻辑131 实验目的132 实验设备133 实验内容144 实验代码145 仿真结果16选作四：运用always块设计一个8路数据选择器。161 实验要求162 模块代码163 测试代码174 仿真结果18实验五：在 Verilog HDL中使用函数191 实验目的192 实验设备193 实验内容194 实验代码195 仿真结果21选作五：设计一个带控制端的逻辑运算电路221 实验要求222 模块代码223 测试代码234 仿真结果25实验六：在Verilog HDL中使用任务(task)251 实验目的252 实验设备253 实验内容254 实验代码255 仿真结果28选作六：冒泡法排序281 实验要求282 模块代码283 测试代码294 仿真结果30选作七：串行输入排序311 实验要求312 模块代码313 测试代码334 仿真结果345 实验分析34实验七：利用有限状态机进行时序逻辑的设计351 实验目的352 实验设备353 实验内容354 实验代码355 仿真结果376 实验分析37选作八：楼梯灯381 实验要求382 模块代码383 测试代码454 仿真结果475 实验分析47附：分工明细49Verilog仿真实验报告 第49页实验一 简单组合逻辑设计1 实验目的1、掌握基本组合逻辑电路的实现方法。2、初步了解两种基本组合逻辑电路的生成方法。3、学习测试模块的编写。4、通过综合和布局布线了解不同层次仿真的物理意义。2 实验设备安装Modelsim-6.5c的PC机。3 实验内容描述一个可综合的数据比较器，比较数据a 、b的大小，若相同，则给出结果1，否则给出结果0。4 实验代码模块源代码：module compare(equal,a,b); input a,b; output equal; assign equal=(a=b)?1:0; endmodule测试代码：timescale 1ns/1ns;include compare.vmodule compare_tb; reg a,b; wire equal; initial begin a=0; b=0; #100 a=0;b=1; #100 a=1;b=1; #100 a=1;b=0; #100 a=0;b=0; #100 $stop; #100 a=0;b=1; end compare m(.equal(equal),.a(a),.b(b); endmodule5 仿真结果选作一：设计一个字节的比较器1 实验要求比较两个字节的大小，如a7:0大于b7:0，则输出高电平，否则输出低电平；并改写测试模型，使其能进行比较全面的测试。2 模块代码module compare_8bit(result,a,b); input 7:0a,b; output result; assign result = (ab)?1:0; endmodule3 测试代码timescale 1ns/1nsinclude compare_8bit.vmodule test; reg7:0a,b; wire result; initial begin a=8d0; b=8d0; #100 a=8d6;b=8d5; #100 a=8d9;b=8d9; #100 a=8d12;b=8d15; #100 $stop; end compare_8bit m(.result(result),.a(a),.b(b); endmodule4 仿真结果实验二 简单分频时序逻辑电路的设计1 实验目的1、掌握最基本组合逻辑电路的实现方法。2、学习时序电路测试模块的编写。3、学习综合和不同层次的仿真。2 实验设备安装Modelsim-6.5c的PC机。 3 实验内容用always块和(posedge clk)或(negedge clk)的结构表述一个1/2分频器的可综合模型，观察时序仿真结果。4 实验代码模块代码：module half_clk(reset,clk_in,clk_out); input clk_in,reset; output clk_out; reg clk_out; always (posedge clk_in) begin if(!reset)clk_out=0; else clk_out =clk_out; end endmodule测试代码：timescale 1ns/100psdefine clk_cycle 50module text; reg clk,reset; wire clk_out; always #clk_cycle clk=clk; initial begin clk=0; reset=1; #10 reset=0; #110 reset=1; #100000 $stop; end half_clk m(.reset(reset),.clk_in(clk),.clk_out(clk_out); endmodule5 仿真结果选作二：七段数码管译码电路1 实验要求设计一个七段数码管译码电路。2 模块代码module qiduanma(in,out); input 3:0in; output6:0out; reg6:0out; always(in) begin case(in) 4b0000:out= 7b1111110; 4b0001:out= 7b0110000; 4b0010:out= 7b1101101; 4b0011:out= 7b1111011; 4b0100:out= 7b0110011; 4b0101:out= 7b1011011; 4b0110:out= 7b0011111; 4b0111:out= 7b1110000; 4b1000:out= 7b1111111; 4b1001:out= 7b1110011; 4b1010:out= 7b0001101; 4b1011:out= 7b0011001; 4b1100:out= 7b0100011; 4b1101:out= 7b1001011; 4b1110:out= 7b0001111; 4b1111:out= 7b0000000; endcase end endmodule3 测试代码timescale 1ns/1ns;include qiduanma.vmodule test; reg3:0 in; wire6:0 out; integer t; initial begin in=4b0000; for(t=0;t4b1111;t=t+1) #100 in=in+1; end qiduanma m(.in(in),.out(out); endmodule4 仿真结果实验三：利用条件语句实现计数分频时序电路1 实验目的1、掌握条件语句在简单时序模块设计中的使用。2、学习在Verilog模块中应用计数器。3、学习测试模块的编写、综合和不同层次的仿真。2 实验设备安装Modelsim-6.5c的PC机。3 实验内容仿真一个可综合风格的分频器，将10MB的时钟分频为500KB的时钟，定义一个计数器，原理同1/2分频器一样，只不过分频变为1/20。4 实验代码模块代码：module fdivision(RESET,F10M,F500K); input F10M,RESET; output F500K; reg F500K; reg7:0j; always(posedge F10M) if(!RESET) begin F500K=0; j=0; end else begin if(j=9) begin j=0; F500K=F500K; end else j=j+1; end endmodule测试代码：timescale 1ns/100psdefine clk_cycle 50module test_fdivision; reg F10M,RESET; wire F500K_clk; always #clk_cycle F10M=F10M; initial begin RESET=1; F10M=0; #100 RESET=0; #100 RESET=1; #10000 $stop; end fdivision m(.RESET(RESET),.F10M(F10M),.F500K(F500K_clk);endmodule5 仿真结果6 实验分析书中程序if(j=19)段应改为if(j=9)选作三：设计一个单周期形状的周期波形。1 实验要求利用10MHZ的时钟，设计一个单周期形状的周期波形。2 模块代码module exp3(RESET,F10M,F_OUT); input F10M,RESET; output F_OUT; reg F_OUT; reg15:0j; always(posedge F10M) if(!RESET) begin F_OUT=0; j=0; end else begin j=j+1; case(j) 199:F_OUT=1; 299:F_OUT=0; 499:j=0; endcase end endmodule3 测试代码timescale 1ns/100psdefine clk_cycle 50module test_exp3; reg F10M,RESET; wire F; always #clk_cycle F10M=F10M; initial begin RESET=1; F10M=0; #100 RESET=0; #100 RESET=1; #1000000 $stop; end exp3 m2(.RESET(RESET),.F10M(F10M),.F_OUT(F);endmodule4 仿真结果实验四：用always块实现较复杂的组合逻辑1 实验目的1、掌握用always实现较大组合逻辑电路的方法。2、进一步了解assign与always两种组合电路实现方法的区别和注意点。3、学习测试模块中随机数的产生和应用。4、学习综合不同层次的仿真，并比较结果。2 实验设备安装Modelsim-6.5c的PC机。3 实验内容设计一个简单的指令译码电路，该电路通过对指令的判断，对输入数据执行相应的操作，包括加、减、与、或和求反，并且无论是指令作用的数据还是指令本身发生变化，都有要作出及时的反应。4 实验代码模块代码：/-alu.v-define plus 3d0define minus 3d1define band 3d2define bor 3d3define unegate 3d4module alu(out,opcode,a,b);output7:0 out;reg7:0 out;input2:0 opcode;input7:0 a,b; /?always(opcode or a or b)begincase(opcode)plus: out = a + b; /?minus: out = a - b; /?band: out = a & b; /?bor: out = a | b; /?unegate: out = a; /?default: out = 8hx; /?endcaseendendmodule测试代码：/-alutest.v-timescale 1ns/1nsinclude ./alu.vmodule alutest;wire7:0 out;reg7:0 a,b;reg2:0 opcode;parameter times=5;initialbegina =$random%256; /?0,255?b =$random%256; /?0,255?opcode = 3h0;repeat(times)begin#100 a =$random%256; b =$random%256; opcode = opcode+1;end#100 $stop;endalu alu1(out,opcode,a,b);endmodule5 仿真结果选作四：运用always块设计一个8路数据选择器。1 实验要求每路输入数据与输出数据均为4位2进制数，当选择开关（至少3位）或输入数据发生变化时，输出数据也相应地变化。2 模块代码module exp5(slt,in0,in1,in2,in3,in4,in5,in6,in7,out); input2:0slt; input3:0in0,in1,in2,in3,in4,in5,in6,in7; output 3:0out; reg 3:0out;always(in0 or in1 or in2 or in3 or in4 or in5 or in6 or in7 or slt) case (slt) 3d0: out = in0; 3d1: out = in1; 3d2: out = in2; 3d3: out = in3; 3d4: out = in4; 3d5: out = in5; 3d6: out = in6; 3d7: out = in7; endcaseendmodule3 测试代码timescale 1ns/1nsmodule test_exp5_2; reg3:0in0,in1,in2,in3,in4,in5,in6,in7; reg2:0slt=0; reg clk; wire 3:0out; always #10 clk=clk; always(posedge clk) slt=slt+1; initial begin clk=0; begin in0=1; in1=3; in2=5; in3=7; in4=9; in5=11; in6=13; in7=15; end #160 begin in0=0; in1=2; in2=4; in3=6; in4=8; in5=10; in6=12; in7=14; end end exp5 m(.slt(slt),.in0(in0),.in1(in1),.in2(in2),.in3(in3),.in4(in4),.in5(in5),.in6(in6),.in7(in7),.out(out);endmodule4 仿真结果实验五：在 Verilog HDL中使用函数1 实验目的1、了解函数的定义和在模块设计中的使用。2、了解函数的可综合性问题。3、了解许多综合器不能综合复杂的算术运算。2 实验设备安装Modelsim-6.5c的PC机。3 实验内容做一个函数调用的示例，采用同步时钟触发运算的执行，每个clk时钟周期执行一次运算，在测试模块中，调用系统任务$display及在时钟的下降沿显示每次运算的结果。4 实验代码模块代码：module tryfunct(clk,n,result,reset); output31:0result; input3:0n; input reset,clk; reg31:0result; always(posedge clk) begin if(!reset) result=0; else begin result=n*factorial(n)/(n*2)+1); end end function31:0factorial; input3:0operand; reg3:0index; begin factorial=operand?1:0; for(index=2;index=operand;index=index+1) factorial=index*factorial; end endfunction endmodule测试代码：includetryfunct.vtimescale 1ns/100psdefine clk_cycle 50module test_tryfunct; reg3:0n,i; reg reset,clk; wire31:0result; initial begin clk=0; n=0; reset=1; #100 reset=0; #100 reset=1; for(i=0;i=15;i=i+1) begin #200 n=i; end #100 $stop; end always #clk_cycle clk=clk; tryfunct m(.clk(clk),.n(n),.result(result),.reset(reset); endmodule5 仿真结果选作五：设计一个带控制端的逻辑运算电路1 实验要求分别完成正整数的平方、立方和最大数为5的阶乘的运算，要求可综合。编写测试模块，并给出各种层次的仿真波形，比较它们的不同。2 模块代码module tryfunct2(clk,n,result,reset,select); output31:0result; input3:0n; input1:0select; input reset,clk; reg31:0result; always(posedge clk) begin if(!reset) result=0; else begin case(select) 0:result=square(n); 1:result=cube(n); 2:result=factorial(n); default:result=32hx; endcase end end function31:0square; input3:0operand; square=operand*operand; endfunction function31:0cube; input3:0operand; cube=operand*operand*operand; endfunction function31:0factorial; input3:0operand; reg3:0index; begin factorial=(operand&(operand=5)?1:0; for(index=2;index=operand;index=index+1) factorial=index*factorial; end endfunction endmodule3 测试代码includetryfunct2.vtimescale 1ns/100psdefine clk_cycle 50module test_tryfunct2; reg1:0 select; reg3:0n,i; reg reset,clk; wire31:0result; initial begin clk=0; n=0; reset=1; #100 reset=0; #100 reset=1; for(select=0;select=2;select=select+1) for(i=0;i=6;i=i+1) begin for(select=0;selecty) begin tmp = x; x = y; y = tmp; endendtaskendmodule测试代码：/-? sort4.v-module sort4(ra,rb,rc,rd,a,b,c,d); output3:0 ra,rb,rc,rd; input3:0 a,b,c,d; reg3:0 ra,rb,rc,rd; reg3:0 va,vb,vc,vd;always (a or b or c or d) begin va,vb,vc,vd=a,b,c,d; sort2(va,vc);/va?vc? sort2(vb,vd); sort2(va,vb); sort2(vc,vd); sort2(vc,vd); sort2(vb,vc); ra,rb,rc,rd=va,vb,vc,vd; endtask sort2; inout3:0 x,y; reg3:0 tmp; if(xy) begin tmp = x; x = y; y = tmp; endendtaskendmodule5 仿真结果选作六：冒泡法排序1 实验要求模仿上面的例子用纯组合逻辑实现，用冒泡法设计一个能完成四个8位2进制数输入数据的模块。2 模块代码/-? sort4.v-module sort4_2(ra,rb,rc,rd,a,b,c,d); output7:0 ra,rb,rc,rd; input7:0 a,b,c,d; reg7:0 ra,rb,rc,rd; reg7:0 va,vb,vc,vd;always (a or b or c or d) begin va,vb,vc,vd=a,b,c,d; sort2(va,vb);/va?vc? sort2(va,vc); sort2(va,vd); sort2(vb,vc); sort2(vb,vd); sort2(vc,vd); ra,rb,rc,rd=va,vb,vc,vd; endtask sort2; inout7:0 x,y; reg7:0 tmp; if(xy) begin tmp = x; x = y; y = tmp; endendtaskendmodule3 测试代码timescale 1ns/100psinclude sort4_2.vmodule test_sort4_2; reg7:0 a,b,c,d; wire7:0 ra,rb,rc,rd; initial begin a=0;b=0;c=0;d=0; repeat(50) begin #100 a=$random%255;b=$random%255;c=$random%255;d=$random%255;end#100 $stop; endsort4_2 m(.a(a),.b(b),.c(c),.d(d),.ra(ra),.rb(rb),.rc(rc),.rd(rd);endmodule4 仿真结果选作七：串行输入排序1 实验要求假设8位数据是按照时钟节拍串行输入的，要求用时钟触发任务的执行法，每个时钟周期完成一次数据交换的操作。比较两种方法的运行速度和消耗资源的不同。2 模块代码module sort4_3(ra,rb,rc,rd,in,clk); output7:0 ra,rb,rc,rd; input7:0 in; input clk; reg7:0 ra,rb,rc,rd; reg7:0 va,vb,vc,vd; reg3:0i=0; always (posedge clk)begin case(i) 0:va=in; 1:vb=in; 2:vc=in; 3:vd=in; 4:sort2(va,vb); 5:sort2(va,vc); 6:sort2(va,vd); 7:sort2(vb,vc); 8:sort2(vb,vd); 9:begin sort2(vc,vd);ra,rb,rc,rd=va,vb,vc,vd;end default:i=15;/* 0:vay) begin tmp = x; x = y; y = tmp; endendtaskendmodule3 测试代码timescale 1ns/100psinclude sort4_3.vdefine clk_cycle 50module test_sort4_3; reg7:0 in; reg clk; wire7:0 ra,rb,rc,rd; initial begin begin clk=0; repeat(50) #100 in=$random%255; end #100 $stop; end always #clk_cycle clk=clk;sort4_3 m(.in(in),.clk(clk),.ra(ra),.rb(rb),.rc(rc),.rd(rd);endmodule4 仿真结果5 实验分析在模块程序的case语句中用到了10句，4句输入，6句排序，这说明从输入到排序完成在输出，需要10个clk，其实可以通过改进缩短这个时间，可改为：case(i) 0:va=in; 1:begin vb=in;sort2(va,vb);end 2:begin vc=in;sort2(va,vc);end 3:begin vd=in;sort2(va,vd);end 4:sort2(vb,vc); 5:sort2(vb,vd); 6:begin sort2(vc,vd);ra,rb,rc,rd=va,vb,vc,vd;end default:i=15; endcase仿真结果一样，不过这里只用了7个clk，相比上面的方法节约了三个时钟，速度得到提升，相比第一个并行输入的方法，少了3个接口和一些寄存器，但时间却差不多（第一个方法也是7个clk执行完一次循环）。实验七：利用有限状态机进行时序逻辑的设计1 实验目的1、掌握利用有限状态机实现一般时序逻辑分析的方法。2、掌握用Verilog编写可综合的有限状态机的标准模板。3、掌握用Verilog编写状态机模块的测试文件的一般方法。2 实验设备安装Modelsim-6.2b的PC机。3 实验内容编写状态机程序检测5位二进制系列“10010”。4 实验代码模块代码：module seqdet(x,z,clk,rst,state); input x,clk,rst; output z; output 2:0state; reg2:0state; wire z; parameter IDLE=d0,A=d1,B=d2,C=d3,D=d4,E=d5,F=d6,G=d7; assign z= (state=D&x=0)?1:0; always (posedge clk) if(!rst) state=IDLE; else casex(state) IDLE:if(x=1) state=A; A: if(x=0) state=B; B: if(x=0) state=C;else state=F; C: if(x=1) state=D;else state=G; D: if(x=0) state=E;else state=A; E: if(x=0) state=C;else state=A; F: if(x=1) state=A;else state=B; G: if(x=1) state=F; default:state=IDLE; endcase endmodule测试代码：timescale 1ns/1nsinclude seqdet.vmodule test_seqdet; reg clk,rst; reg23:0data; wire2:0state; wire z,x; assign x=data23; always #10 clk=clk; always(posedge clk) data=data22:0,data23; initial begin clk=0; rst=1; #2 rst=0; #30 rst=1; data =b1100_1001_0000_1001_0100; #500 $stop; end seqdet m(.x(x),.z(z),.clk(clk),.rst(rst),.state(state); endmodule5 仿真结果6 实验分析书中程序中的F、G状态其实有些多余，F其实就对应的A，G对应的IDLE，因此完全可以将这两个状态去掉。另外，书中有个要求是：当x序列10010的最后一个0到达时刻，z立刻输出高电平，而书中程序assign z= (state=E&x=0)?1:0;并不能满足这个要求，若改成assign z= (state=D&x=0)?1:0;便可实现。进一步可以看出，其实E状态也其实可以去掉，因为在状态D里输入0便需要输出1并切换到状态C，输入1则切换到状态A，这样亦可实现原功能。选作八：楼梯灯1 实验要求 楼下到楼上依次有3个感应灯：灯1、灯2、灯3。当行人上下楼梯时，各个灯感应到后自动点亮，若在8s内感应信号消失，则点亮8s，若感应信号存在时间超过8s，则感应信号消失4s后灯自动关闭。 任务1：做出如上逻辑电路设计并仿真； 任务2：考虑去抖情况，对于感应信号到达存在毛刺(小于0.5s)，设计合适逻辑并剔出。 任务3：若为节约能源，下一个灯点亮的同时将自动关闭上一个灯，做出如上逻辑设计并仿真（仅考虑一个人的情况）； 任务4：考虑存在多个人上下楼梯的情况，比如：行人1已经从灯1到达灯2，灯2受感应自动点亮，但此时行人2刚上楼梯到达灯1的位置，则灯1和灯2都须点亮，更加复杂一点，如果行人2是下楼梯刚到达灯3位置，做出如上逻辑设计并仿真； 注意：1.上下楼梯顺序 2.时钟频率为10Hz 3.感应信号为电平信号2 模块代码module stair_light(light1,light2,light3,s1,s2,s3,rst,state,clk); input s1,s2,s3,rst,clk; output light1,light2,light3; output2:0state; reg2:0state; reg7:0i1,i2,i3,t11,t12,t21,t22,t31,t32; reg e1,e2,e3,e1_d,e2_d,e3_d; wire light1,light2,light3,s1,s2,s3; assign light1=state2; assign light2=state1; assign light3=state0; /light1 always(posedge clk) begin if(s1) begin i1=i1+1; if(i15) begin if(i180) begin t12=t12-1; if(t12=0) begin e1=0;i1=0;end end end end end /light2 always(posedge clk) begin if(s2) begin i2=i2+1; if(i25) begin if(i280) begin t22=t22-1; if(t22=0) begin e2=0;i2=0;end end end end end /light3 always(posedge clk) begin if(s3) begin i3=i3+1; if(i35) begin if(i380) begin t32=t32-1; if(t32=0) begin e3=0;i3=0;end end end end end/delay signals always(posedge clk