FPGA 实验报告：四位全加器与三八译码器仿真实现

目录

安装Quartus软件

四位全加器

全加器、半加器

半加器：

全加器：

四位全加器电路图

创建项目

半加器

全加器

四位全加器

代码实现

半加器

全加器

四位全加器

三八译码器

创建项目

代码展示

modelsim仿真波形图

四位全加器

三八译码器

总结与展望

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安装Quartus软件

本次实验首先进行Quartus软件的安装，版本选择18.1.0.625。安装过程较为常规，依次进行安装选项选择、许可协议接受、安装路径选择（如E盘）等步骤，等待安装进度条完成后，根据驱动程序安装向导提示，选择下一页及完成，即可完成软件的正常安装并投入使用。以下是详细安装流程：

1. 打开安装软件

这里以18.1.0.625版本为例

打开安装程序，进行安装选择，选择next，进行下一步；

选择”I accept the agreement”再进行下一步；

选择想要保存的位置，例如我所选的E盘；

默认勾选，点击下一步；

继续点击next；

随后等待进度条走完即可；

在根据驱动程序安装向导，选择下一页，然后选择完成，完成安装；

打开Quartus 正常使用。

四位全加器

全加器、半加器

半加器：

定义：半加器是指只考虑两个一位二进制数相加，而不考虑来自低位的进位的加法器。

输入输出关系：

和（Sum）：当两个输入数A和B不同时，和为1；当A和B相同时，和为0。其逻辑表达式为Sum = A ⊕ B（⊕表示异或运算）。

进位（Carry）：当A和B都为1时，产生进位，进位输出为1，否则为0。其逻辑表达式为Carry = A & B（&表示与运算）。

电路结构：

真值表：

全加器：

定义：全加器是指不仅考虑两个一位二进制数相加，还考虑来自低位的进位的加法器。

输入输出关系：

和（Sum）：当A、B和来自低位的进位Cin中1的个数为奇数时，和为1；否则为0。其逻辑表达式为Sum = A ⊕ B ⊕ Cin。

进位（Carry）：当A、B和Cin中任意两个或三个都为1时，产生进位。其逻辑表达式为Carry = (A & B) | (B & Cin) | (A & Cin)（|表示或运算）。

电路结构：

真值表：

  半加器和全加器就像是两个不同级别的助手，半加器只能处理简单的两个数相加，而全加器则能处理更复杂的带进位相加的情况。它们共同构成了数字电路中实现加法运算的基础模块，为计算机等数字设备的运算能力提供了支持。

四位全加器电路图

创建项目

在Quartus中，可通过绘制原理图或编写Verilog HDL代码实现四位全加器的设计。原理图绘制需在“Block Diagram/Schematic File”中进行，选择相应的与门、异或门等元件进行连接。代码实现则更为高效，通过定义实体和架构，利用信号连接和实例化语句实现四位全加器的功能。设计过程中，将四个全加器串联，使每个全加器的输出进位连接到下一个全加器的输入进位，从而实现四位二进制数的加法运算。下面为具体实现方法：

点击软件运行，进入主界面；

点击左上角的File，选择目录下的New；

\

然后在弹出来的目录中再选择”New Quartus Prime Project”；

在下图中填写好项目名称，随后点击”Next”；

其中，顶层设计实体名称这是你的设计文件中的顶层模块的名称。这个名称必须与你的设计文件中的实体名称完全匹配，包括大小写。

然后点击”Next”，直到下图所示，然后选择标注的型号，再点击”Next”；

随后在Slmulation，选择ModeSim-Altera；（由于之前在安装的时候已经默认安装了ModeSim，所以直接下一步即可）

最后点击，Finish，创建成功。

半加器

在空白项目中，左上角选择File，点击目录下的New，然后再选择Block Diagram/Schematic File

建立好过后，选择and2、xor（即与门、异或门）；

按照下图连接，就是一位半加器的原理图。

画好原理图过后，再将其保存为可调用原件。

首先点开左上角File，在根据指示进行操作；

即可保存成功。

全加器

操作同半加器，绘制原理图，然后保存；

注意：这里的half_adder为刚才我们建立并保存好的，可直接调用。

四位全加器

在元器件中搜索刚才保存的全加器full_adder，绘制四位全加器。

绘制图如下：

编译成功过后可以在TOOL目录下的Netlist Viewers的二级目录中的RTL Viewer查看电路图。

代码实现

虽然图画表达更加直观，但占用的时间较多，当涉及的内容复杂时，画图效率更是大大缩减，这个时候可以用代码实现原理图的绘制。

选择主页面左上角的File，选择目录下的New，然后在新的目录下选择Verilog HDL File；

然后根据需要生成的电路图输入代码。

半加器

library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;-- 定义半加器实体entity half_adder isport (A : in  STD_LOGIC;B : in  STD_LOGIC;sum : out  STD_LOGIC;cout : out  STD_LOGIC);end half_adder;-- 定义半加器架构architecture Behavioral of half_adder isbeginsum <= A XOR B;cout <= A AND B;end Behavioral;

全加器

library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;-- 定义全加器实体entity full_adder isport (A : in  STD_LOGIC;B : in  STD_LOGIC;Cin : in  STD_LOGIC;sum : out  STD_LOGIC;Cout : out  STD_LOGIC);end full_adder;-- 定义全加器架构architecture Behavioral of full_adder isbeginsum <= A XOR B XOR Cin;Cout <= (A AND B) OR (Cin AND (A XOR B));end Behavioral;

四位全加器

library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;-- 定义4位全加器实体entity four_bit_adder isport (A : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);B : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);Cin : in  STD_LOGIC;S : out  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);Cout : out  STD_LOGIC);end four_bit_adder;-- 定义4位全加器架构architecture Behavioral of four_bit_adder issignal C : STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);signal temp_S : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);component full_adderport (A : in  STD_LOGIC;B : in  STD_LOGIC;Cin : in  STD_LOGIC;sum : out  STD_LOGIC;Cout : out  STD_LOGIC);end component;beginC(0) <= Cin;-- 实例化四个全加器G0: full_adder port map (A(0), B(0), C(0), temp_S(0), C(1));G1: full_adder port map (A(1), B(1), C(1), temp_S(1), C(2));G2: full_adder port map (A(2), B(2), C(2), temp_S(2), C(3));G3: full_adder port map (A(3), B(3), C(3), temp_S(3), C(4));S <= temp_S;Cout <= C(4);end Behavioral;

 

三八译码器

输入端口：

I2、I1、I0：这三个端口是3位二进制输入信号。

这三个输入信号可以表示8种不同的状态（从 000 到 111）。

输出端口：

Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0：这8个端口是8位一热码输出信号。

每个输出端口对应一个输入状态，只有一个输出端口为高电平（1），其余为低电平（0）。

工作原理：

三-八译码器根据输入的3位二进制数，选择对应的输出线，并将其置为高电平（1），而其他输出线保持低电平（0）。具体的工作原理可以参考以下真值表：

逻辑表达式：

每个输出端口的逻辑表达式可以表示为输入信号的组合。例如：

1. Y0 = NOT I2 AND NOT I1 AND NOT I0
2. Y1 = NOT I2 AND NOT I1 AND I0
3. Y2 = NOT I2 AND I1 AND NOT I0
4. Y3 = NOT I2 AND I1 AND I0
5. Y4 = I2 AND NOT I1 AND NOT I0
6. Y5 = I2 AND NOT I1 AND I0
7. Y6 = I2 AND I1 AND NOT I0
8. Y7 = I2 AND I1 AND I0

创建项目

在Quartus中创建新项目后，通过编写Verilog HDL代码实现三八译码器。使用case语句根据输入信号组合设置输出信号，代码简洁且逻辑清晰。编写完成后进行编译，确保代码无误。以下是具体实现方法：

首先再刚才新建项目的Feil，选择”New Project Wizard”，与全加器半加器的创建一样的操作；

创建好空项目过后，我们就使用代码实现三八译码器；

选择主页面左上角的File，选择目录下的New，然后在新的目录下选择Verilog HDL File；

代码展示

module three_eight_decoder(a, b, c, out);input a;  // 输入端口ainput b;  // 输入端口binput c;  // 输入端口coutput [7:0] out;  // 输出端口out，8位宽reg [7:0] out;     // 声明out为寄存器类型// 或者可以直接写成：output reg [7:0] out;// always块：当a、b或c发生变化时触发always @(a, b, c) begin// case语句：根据{a, b, c}的组合值选择输出case ({a, b, c})3'b000: out = 8'b0000_0001;  // 当{a, b, c}为000时，out输出0000_00013'b001: out = 8'b0000_0010;  // 当{a, b, c}为001时，out输出0000_00103'b010: out = 8'b0000_0100;  // 当{a, b, c}为010时，out输出0000_01003'b011: out = 8'b0000_1000;  // 当{a, b, c}为011时，out输出0000_10003'b100: out = 8'b0001_0000;  // 当{a, b, c}为100时，out输出0001_00003'b101: out = 8'b0010_0000;  // 当{a, b, c}为101时，out输出0010_00003'b110: out = 8'b0100_0000;  // 当{a, b, c}为110时，out输出0100_00003'b111: out = 8'b1000_0000;  // 当{a, b, c}为111时，out输出1000_0000endcaseendendmodule

modelsim仿真波形图

同样采用“University Program VWF”创建仿真文件，配置输入输出信号后运行仿真，查看波形图以验证译码器的正确性。通过观察波形图，可确认译码器是否能准确地根据输入信号生成对应的输出信号，如有问题可及时修改代码。具体操作如下：

四位全加器

选择主页面左上角的File，选择目录下的New，然后在新的目录下选择University Program VWF

创建好过后，会自动弹出窗口，双击左侧空白处，选择提示框中的Node Finder...；

然后会弹出窗口，先点击list，会显示四位全加器的输入输出元素，再点击双又向箭头；

配置好过后点击OK，即可得到波形图：

三八译码器

同理可得到38译码器的波形图：

总结与展望

通过本次实验，掌握了Quartus软件的安装与项目创建流程，深入理解了四位全加器和三八译码器的工作原理，并成功实现了其设计与仿真。在设计过程中，体会到了原理图绘制和代码实现两种方法的特点，以及仿真测试在验证设计正确性方面的重要性。

在未来，将继续深入学习FPGA设计，探索更复杂的数字电路，如多位乘法器、移位寄存器等，并尝试将FPGA应用于实际项目中，以提升自身的实践能力和技术水平。