嵌入式硬件技術實驗指導書

《 嵌入式硬件技術 》         實  驗  指  導  書            編 寫           適用專業(yè)： 通信工程                                                                                        閩江學院 計算機科學 系        2010年  9月 前   言        嵌入式硬件技術實驗由驗證性實驗一、Quartus II軟件的使用，綜合性實驗二、組合邏輯與時序電路綜合設計，驗證性實驗三、Protel軟件的使用構(gòu)成，通過實驗應達到下列要求： 1.熟習Quartus II軟件的使用。掌握該軟件的用法，包括Verilog HDL語言的編程、仿真、下載等的方法，為后續(xù)的綜合實驗打下基礎。 2.加深對數(shù)字系統(tǒng)中電源、組合邏輯、時序電路各部分原理的理解；熟悉各個功能部件的設計、分析與仿真；能根據(jù)要求設計一個數(shù)字系統(tǒng)，并在Quartus II軟件上用Verilog HDL語言進行編程設計、仿真實現(xiàn)、最后下載到CPLD或FPGA開發(fā)板上運行。 3.熟習Protel軟件的使用。掌握該軟件的用法，包括模擬和數(shù)字系統(tǒng)硬件原理圖的繪制、仿真分析、PCB板的設計與制作等。 4．由于這門課程的實驗需要大量的時間練習，但受實驗課時的限制需要學生課外補足（12到20學時），因此要求學生在實驗前先預習實驗內(nèi)容并根據(jù)實驗大綱的說明先期做好實驗的準備（如系統(tǒng)設計電路草圖、Verilog HDL語言程序等）。        本指導書對綜合性實驗只給出設計的要求和指標不給實驗源代碼，由學生自己設計、編譯、調(diào)試并運行；通過實驗結(jié)果理解數(shù)字系統(tǒng)硬件的組成、原理與實現(xiàn)方法；在實驗報告中回答思考題。      目    錄 實驗一 Quartus II軟件的使用 3 實驗二 組合邏輯與時序電路綜合設計 7 實驗三 Protel軟件的使用 9 實驗一 Quartus II軟件的使用 實驗學時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗目的 1、掌握Quartus II軟件的用法。 2、熟悉Verilog HDL語言的語法。 3、練習Verilog HDL語言的編程。 4、學會仿真、管腳約束、下載的方法。 二、實驗內(nèi)容 1、熟悉并使用Quartus II軟件 2、閱讀并編譯實驗例程 用Quartus II編譯實驗例程。 3、下載或仿真運行程序并對照實驗源程序閱讀理解實驗結(jié)果的含義。 三、實驗原理、方法和手段 根據(jù)實驗例程，編輯并仿真運行數(shù)字系統(tǒng)中的組合邏輯：加法器、比較器、三態(tài)驅(qū)動器；時序電路：4位計數(shù)器、4 選1 數(shù)據(jù)選擇器、簡單算術邏輯單元。了解通過硬件描述語言的編程實現(xiàn)單元硬件的功能。通過仿真過程中顯示的狀態(tài)和有關輸出情況學習組合邏輯與時序電路的原理和實現(xiàn)方法。 四、實驗組織運行要求 根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，采用以學生自主訓練為主的開放模式組織教學。 重點：用Verilog HDL語言實現(xiàn)組合邏輯與時序電路。 難點：用Verilog HDL語言實現(xiàn)時序電路。 五、實驗條件 具備Windows操作系統(tǒng)、帶有Quartus II軟件的PC機。 六、實驗步驟 1、閱讀例程源代碼 2、編譯、運行 3、記錄并理解運行顯示的信息 4、回答思考題并撰寫實驗報告 七、思考題 1、 簡單介紹一下串行語句和并行語句的概念。 2、 Verilog HDL語言有哪幾種主要的數(shù)據(jù)類型？可否說明它的簡單用法？。 3、 數(shù)字電路設計有那幾種層次，可否分別舉個例子？ 4、 當前兩種硬件描述語言是什么？ 5、 假設一D觸發(fā)器組的器件 Reg8，輸入信號 Din，輸出信號Qout，位寬8位，時鐘信號Clk，異步復位信號Rst，用于實現(xiàn)對8位數(shù)據(jù)總線的寄存，請描述出module 語句，并畫出電路的示意圖。 6、 在實驗報告中完成問題 1、2、3、4、5的說明。 八、實驗報告 1、實驗預習        在實驗前每位同學都需要對本次實驗進行認真的預習，并寫好預習報告，在預習報告中要寫出實驗目的、要求，需要用到的儀器設備、物品資料以及簡要的實驗步驟，形成一個操作提綱。對實驗中的安全注意事項及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等做到心中有數(shù)，但這些不要求寫在預習報告中。         設計性實驗要求進入實驗室前寫出實驗方案，并經(jīng)指導教師審閱后實施。 2、實驗記錄        學生開始實驗時，應該將記錄本放在近旁，將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關條件如實地記錄下來。        實驗記錄中應有指導教師的簽名。 3、實驗報告       主要內(nèi)容包括對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法。 九、實驗例程 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] 比較器 module 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] 三態(tài)驅(qū)動器 module mytri (din, d_en, d_out); input din; input d_en; output d_out; // -- 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 該例描述了一個三態(tài)驅(qū)動器。其中三態(tài)驅(qū)動門在模塊 mytri 中描述，而在模塊trist 中調(diào)用了模塊mytri 。模塊mytri 對trist 而言相當于一個已存在的器件，在trist 模塊中對該器件進行實例化，實例化名 u_mytri 。 示例[4] 4位計數(shù)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; //同步復位 else out<=out+1; //計數(shù) end endmodule 示例[5] 用case 語句描述的4 選1 數(shù)據(jù)選擇器 module mux4_1(out,in0,in1,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) //敏感信號列表 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 過程語句描述的簡單算術邏輯單元 `define add 3'd0 `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; //操作碼 input[7:0] a,b; //操作數(shù) always@(opcode or a or b) //電平敏感的always 塊 begin case(opcode) `add: out = a+b; //加操作 `minus: out = a-b; //減操作 `band: out = a&b; //求與 `bor: out = a|b; //求或 `bnot: out=~a; //求反 default: out=8'hx; //未收到指令時，輸出任意態(tài) endcase end endmodule 實驗二 組合邏輯與時序電路綜合設計 實驗學時：6 實驗類型：綜合 實驗要求：必修 一、實驗目的 1、進一步加深對Quartus II軟件的使用。 2、進一步熟悉用Verilog HDL語言進行編程設計。 3、練習綜合應用一個小型的數(shù)字系統(tǒng)。 二、實驗內(nèi)容 1、根據(jù)要求實現(xiàn)一個簡單的交通燈控制器 要求： A、每個方向四盞燈（左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈）可以控制其亮滅； B、用兩個LED數(shù)碼管顯示每個方向燈的倒計時顯示時間（左拐燈、綠燈25秒，黃燈6秒，紅燈20秒）。 C、設置按鍵實現(xiàn)倒計時時間可調(diào)。 2、根據(jù)要求實現(xiàn)一個多功能數(shù)字鐘 要求： A、 計時功能，顯示分、秒（各倆位）。 B、 系統(tǒng)時鐘為11.05926MHz。 C、 鬧鐘功能，產(chǎn)生鬧鈴音、報時音的時鐘信號其頻率為 1024Hz D、手動校時功能。 3、自己設計、編譯、調(diào)試、仿真運行程序并理解實驗中輸入、輸出的含義。 三、實驗原理、方法和手段 交通燈需要一個計時單元用于產(chǎn)生標準的秒脈沖，并對設定的時間進行計數(shù)。交通燈實驗的核心是控制部分，即要求左拐燈和綠燈亮25秒，接著黃燈亮6秒，最后紅燈亮20秒；當紅燈滅后綠燈點亮，這樣周而復始。LED燈采用動態(tài)顯示。 多功能數(shù)字鐘由秒脈沖發(fā)生電路、計數(shù)定時部分、數(shù)字顯示部分和時鐘調(diào)校部分組成。通過對系統(tǒng)時鐘進行分頻得到1Hz的秒脈沖；LED燈采用動態(tài)顯示；調(diào)教部分可設置多個按鍵，例如K1、K2、K3分別用于控制計時開始、調(diào)校功能選擇、加1或減1調(diào)整等。 四、實驗組織運行要求 根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，采用以學生自主訓練為主的開放模式組織教學。 重點：設計計時單元產(chǎn)生標準的秒脈沖、LED的動態(tài)顯示。 難點：按鍵的設計。 五、實驗條件 具備Windows操作系統(tǒng)、帶有Quartus II軟件的PC機、DP-MCU/Atera綜合仿真試驗儀。 六、實驗步驟 1、閱讀每個問題的要求。 2、設計程序并編譯、下載或仿真運行。 3、記錄并理解運行顯示的信息 4、回答思考題并撰寫實驗報告 七、思考題 1、比較LED的靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示。 2、總結(jié)計數(shù)器的實現(xiàn)方法。 3、總結(jié)分頻的公式。 4、說明按鍵設計的方法。 5、在實驗報告中完成問題 1、2、3、4的討論與說明。 八、實驗報告 1、實驗預習        在實驗前每位同學都需要對本次實驗進行認真的預習，并寫好預習報告，在預習報告中要寫出實驗目的、要求，需要用到的儀器設備、物品資料以及簡要的實驗步驟，形成一個操作提綱。對實驗中的安全注意事項及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等做到心中有數(shù)，但這些不要求寫在預習報告中。         設計性實驗要求進入實驗室前寫出實驗方案，并經(jīng)指導教師審閱后實施。 2、實驗記錄        學生開始實驗時，應該將記錄本放在近旁，將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關條件如實地記錄下來。        實驗記錄中應有指導教師的簽名。 3、實驗報告       主要內(nèi)容包括對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法。 實驗三 Protel軟件的使用 實驗學時：4 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗目的 1、掌握Protel軟件的用法。 2、熟悉硬件電路原理圖的繪制。 3、熟悉PCB圖的產(chǎn)生與手工繪制。 4、掌握電路的仿真。 二、實驗內(nèi)容 1、自己查找實驗電路 建議：用電源、單片機及接口電路。 2、繪制例程電路 用Protel軟件繪制實驗電路。 3、產(chǎn)生PCB圖，根據(jù)排版原則，檢查是否需要手工修改。 4、仿真原理電路。 三、實驗原理、方法和手段 根據(jù)實驗例程電路，繪制電路圖并仿真運行以檢查其功能和指標是否能夠?qū)崿F(xiàn)。通過仿真過程中顯示的狀態(tài)和有關輸出情況學習具體電路的原理和實現(xiàn)方法。 四、實驗組織運行要求 根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，采用以學生自主訓練為主的開放模式組織教學。 重點：掌握用Protel軟件繪制實驗電路、產(chǎn)生PCB圖，根據(jù)排版原則，檢查是否需要手工修改。 難點：實驗電路的仿真。 五、實驗條件 具備Windows操作系統(tǒng)、帶有Protel軟件的PC機。 六、實驗步驟 1、理解實驗電路 2、繪制原理圖并仿真其功能。 3、記錄并理解仿真中顯示的信息 4、回答思考題并撰寫實驗報告 七、思考題 1、總結(jié)電路圖繪制的技巧。 2、說明產(chǎn)生PCB圖的方法。 3、總結(jié)電路布線的原則。 4、描述仿真中出現(xiàn)的問題及解決的方法。 5、在實驗報告中完成問題 1、2、3、4的討論說明。 八、實驗報告 1、實驗預習        在實驗前每位同學都需要對本次實驗進行認真的預習，并寫好預習報告，在預習報告中要寫出實驗目的、要求，需要用到的儀器設備、物品資料以及簡要的實驗步驟，形成一個操作提綱。對實驗中的安全注意事項及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等做到心中有數(shù)，但這些不要求寫在預習報告中。         設計性實驗要求進入實驗室前寫出實驗方案，并經(jīng)指導教師審閱后實施。 2、實驗記錄        學生開始實驗時，應該將記錄本放在近旁，將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關條件如實地記錄下來。        實驗記錄中應有指導教師的簽名。 3、實驗報告        主要內(nèi)容包括對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法。 九、實驗電路 根據(jù)所學過的課程在教材或互聯(lián)網(wǎng)上按大綱的建議查找實驗電路。 12