4位移位寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　使用ISE軟件設(shè)計(jì)并仿真，使用ISE軟件進(jìn)行4位移位寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　步驟

　　1. 編寫文本文件并編譯

　　2. 軟件仿真

　　3. 進(jìn)行硬件配置

　　原理

　　1. ISE軟件是一個(gè)支持?jǐn)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　2. 用ISE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)基于相應(yīng)器件型號(hào)的。

　　注意：軟件設(shè)計(jì)時(shí)選擇 的器件型號(hào)是與實(shí)際下載板上的器件型號(hào)相同?！　?br />
? ? ? ? 3. 圖6-1所示為4位

　　（1） 新建工程

　　雙擊桌面上“ISE Design Suite 14.7”圖標(biāo)，啟動(dòng)ISE軟件（也可從開(kāi)始菜單啟動(dòng)）。每次打開(kāi)ISE都會(huì)默認(rèn)恢復(fù)到最近使用過(guò)的工程界面。當(dāng)?shù)谝淮问褂脮r(shí)，由于還沒(méi)有歷史工程記錄，所以工程管理區(qū)顯示空白。選擇File New--Project選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中輸入工程名稱并指定工程路徑。

　　點(diǎn)擊Next按鈕進(jìn)入下一頁(yè)，選擇所使用的芯片及綜合、仿真工具。計(jì)算機(jī)上安裝的所有用于仿真和綜合的第三方EDA工具都可以在下拉菜單中找到。在圖中我們選用了Spartan6 XC6SLX16芯片，采用CSG324封裝，這是NEXYS3開(kāi)發(fā)板所用的芯片。另外，我們選擇Verilog作為默認(rèn)的硬件描述語(yǔ)言。

　　再點(diǎn)擊Next按鈕進(jìn)入下一頁(yè)，這里顯示了新建工程的信息，確認(rèn)無(wú)誤后，點(diǎn)擊Finish就可以建立一個(gè)完整的工程了。

　　（2） 設(shè)計(jì)輸入和代碼仿真

　　在工程管理區(qū)任意位置單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇New Source命令，選擇Verilog Module輸入，并輸入Verilog文件名。

　　單擊Next按鈕進(jìn)入端口定義對(duì)話框。其中Module Name欄用于輸入模塊名，這里是shiftreg，下面的列表框用于端口的定義。Port Name表示端口名稱，Direction表示端口方向（可選擇為input、output或inout），MSB表示信號(hào)最高位，LSB表示信號(hào)最低位，對(duì)于單信號(hào)的MSB和LSB不用填寫。當(dāng)然，端口定義這一步

　　我們也可以略過(guò)，在源程序中再行添加。

　　定義了模塊的端口后，單擊Next進(jìn)入下一步，點(diǎn)擊Finish完成創(chuàng)建。這樣，ISE就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)Verilog模塊的模板，并且在源代碼編輯區(qū)打開(kāi)。簡(jiǎn)單的注釋、模塊和端口定義已經(jīng)自動(dòng)生成，接下來(lái)的工作就是將代碼編寫完整。

　　輸入代碼后，我們還需要對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試。在工程管理區(qū)將view設(shè)置為Simulation，在任意位置單擊鼠標(biāo)右鍵，并在彈出的菜單中選擇New Source，在類型中選擇Verilog Test Fixture，輸入測(cè)試文件名，單擊下一步。這時(shí)所有工程中的模塊名都會(huì)顯示出來(lái)，我們選擇要進(jìn)行測(cè)試的模塊。點(diǎn)擊Next ，再單擊Finish按鈕，ISE會(huì)在源代碼編輯區(qū)自動(dòng)生成測(cè)試模塊的代碼。我們看到，ISE已經(jīng)自動(dòng)生成了基本的信號(hào)并對(duì)被測(cè)模塊做了例化。我們的工作就是在initial?end塊中的“//Add stimulus here”后面添加測(cè)試向量。

　　完成測(cè)試文件編輯后，確認(rèn)工程管理區(qū)中view選項(xiàng)設(shè)置為Simulation，這時(shí)在過(guò)程管理區(qū)會(huì)顯示與仿真有關(guān)的進(jìn)程。右鍵單擊其中的Simulate Behavioral Model項(xiàng)，選擇彈出菜單中的Process Properties項(xiàng)，會(huì)彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，其中Simulation Run Time就是仿真時(shí)間的設(shè)置，可將其修改為任意時(shí)長(zhǎng)。

　　仿真參數(shù)設(shè)置完后，就可以進(jìn)行仿真。首先在工程管理區(qū)選中測(cè)試代碼，然后在過(guò)程管理區(qū)雙擊Simulate Behavioral Model，ISE將啟動(dòng)ISE Simulator，可以得到仿真結(jié)果，如圖6-2所示。

　?。?） 綜合與實(shí)現(xiàn)

　　在工程管理區(qū)的view中選擇Implementation，然后在過(guò)程管理區(qū)雙擊Synthesize-XST，就可以開(kāi)始綜合過(guò)程。

　　另外，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，還需要為模塊中的輸入輸出信號(hào)添加管腳約束，這就需要在工程中添加UCF文件。在工程管理區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)擊New Source，選擇Implementation- Constraints File，出現(xiàn)一個(gè)空白的約束文件，我們就可以為設(shè)計(jì)添加各種約束。如果綜合步驟沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，XST能夠給出初步的資源消耗情況，點(diǎn)擊Design Summary，即可查看。

　　在過(guò)程管理區(qū)雙擊Implementation Design選項(xiàng)，就可以自動(dòng)完成實(shí)現(xiàn)步驟。如果設(shè)計(jì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)綜合，就會(huì)啟動(dòng)XST完成綜合，在綜合后完成實(shí)現(xiàn)過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)后能夠得到精確的資源占用情況。在Design Summary即可看到具體的資源占用情況。

　?。?） 器件配置

　　硬件配置是FPGA開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的一步，只有將HDL代碼下載到FPGA芯片中，才能進(jìn)行調(diào)試并最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。首先我們必須生成能下載到硬件中的二進(jìn)制比特文件。雙擊過(guò)程管理區(qū)的Generate Programming File，ISE就會(huì)為設(shè)計(jì)生成相應(yīng)的二進(jìn)制比特文件。

　　然后利用USB-MiniUSB纜線，來(lái)為開(kāi)發(fā)板提供電源和數(shù)據(jù)下載。我們只需上網(wǎng)下載免費(fèi)的Digilent Adept軟件，即可快速實(shí)現(xiàn)Nexys3開(kāi)發(fā)板上FPGA的配置。用USB-MiniUSB纜線連接開(kāi)發(fā)板和PC，打開(kāi)開(kāi)發(fā)板的電源開(kāi)關(guān)，然后啟動(dòng)Digilent Adept軟件。系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)連接FPGA設(shè)備，成功檢測(cè)到設(shè)備后，會(huì)顯示出JTAG鏈上所用芯片。

　　界面上將顯示檢測(cè)到NEXYS3開(kāi)發(fā)板上的器件FPGA（XC6SLX16）。這里我們對(duì)FPGA進(jìn)行配置。在Browse中找到之前生成的設(shè)計(jì)的二進(jìn)制比特文件，并點(diǎn)擊旁邊的Program按鈕，軟件就開(kāi)始對(duì)FPGA進(jìn)行配置。配置成功后，下面的狀態(tài)欄會(huì)顯示Programming Successful。至此，器件配置成功，我們就可以在器件上驗(yàn)證預(yù)期的設(shè)計(jì)有沒(méi)有很好的得以實(shí)現(xiàn)。

? ? ? ?移位寄存器代碼

　　移位寄存器，不但可以寄存數(shù)碼，還可以在脈沖信號(hào)的作用下，寄存數(shù)碼可以根據(jù)需求發(fā)生偏移。在本次設(shè)計(jì)中使用分頻信號(hào)來(lái)充當(dāng)脈沖信號(hào)，控制在人眼可視范圍內(nèi)（始終頻率低于10Hz）寄存自動(dòng)發(fā)生發(fā)生偏移，代碼如下：

　　module Design_Code（

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》input clk，《span style=“white-space:pre”》 《/span》//input by “V10”

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》input clr，

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》input data，

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》output reg ［3:0］ out

　?。?

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》

　　reg ［26:0］ c;

　　assign mclk = c［5］;《span style=“white-space:pre”》 《/span》// The Data of Simulation《span style=“white-space:pre”》 《/span》

　　//assign mclk = c［26］;《span style=“white-space:pre”》 《/span》//Easy for person to distinguish

　　always @ （posedge clk）

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》begin

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》//c《= c + 1;

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》if（clr）

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》c《=0;

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》else

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》c 《= c+1‘b1;

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》end

　　always @ （posedge mclk or posedge clr）

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》begin

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》if（clr）

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》out 《= 4’b0;

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》else

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》out 《= {data， out［3:1］};

　　《span style=“white-space:pre”》 《/span》end

　　endmodule

　　在本次設(shè)計(jì)中使用到了非阻塞賦值“《=”。它與阻塞賦值“=”是有區(qū)別的。

　　阻塞賦值：算式y(tǒng)=b，一旦執(zhí)行當(dāng)前的賦值語(yǔ)句，賦值目標(biāo)變量y幾顆獲得等號(hào)右邊表達(dá)式的計(jì)算值。在這里值得注意的是，如果一塊語(yǔ)句中含有多條阻塞賦值語(yǔ)句，那么當(dāng)執(zhí)行某一條語(yǔ)句時(shí)其他語(yǔ)句被阻塞，將禁止執(zhí)行。阻塞賦值的執(zhí)行有點(diǎn)像串行執(zhí)行。

　　非阻塞賦值：算式y(tǒng)《=b，必須在語(yǔ)句塊結(jié)束時(shí)完成整體賦值。在執(zhí)行某一條語(yǔ)句時(shí)，對(duì)于語(yǔ)句塊的其他賦值算式不進(jìn)行限制，換句話說(shuō)，語(yǔ)句塊中的非阻塞賦值算式是并行執(zhí)行的。

　　注意：由于assign不能引導(dǎo)語(yǔ)句塊，故只能使用阻塞賦值。

　　注意：阻塞賦值與非阻塞賦值不可以混合使用。

　　測(cè)試文件：

　　initial begin

　　// Initialize Inputs

　　data = 1;

　　clr = 1;

　　clk = 0;

　　end

　　always

　　begin

　　#1

　　clk = ~clk;

　　end

　　always

　　begin

　　#100000

　　clr = ~clr;

　　end

　　always

　　begin

　　#500

　　data = ~data;

　　end

　　注意：在寫仿真部分時(shí)always與initial不能相互嵌套。使用復(fù)位信號(hào)（例如：clr）時(shí)，x先使能復(fù)位信號(hào)，一段時(shí)間后取消復(fù)位信號(hào)（避免系統(tǒng)一直處于復(fù)位狀態(tài)）

　　仿真結(jié)果：

　　在這里可能需要仿真的時(shí)間比較長(zhǎng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)仿真器的屬性更改仿真時(shí)間，操作如下