【FPGA】Verilog：组合电路设计 | 三输入 | 多数表决器

前言：本章内容主要是演示Vivado下利用Verilog语言进行电路设计、仿真、综合和下载的示例：表决器（三人表决器）。

• 功能特性： 采用 Xilinx Artix-7 XC7A35T芯片 
• 配置方式：USB-JTAG/SPI Flash
• 高达100MHz 的内部时钟速度 
• 存储器：2Mbit SRAM   N25Q064A SPI Flash（样图旧款为N25Q032A）
• 通用IO：Switch ：x8LED：x16Button：x5DIP：x8   通用扩展IO：32pin
• 音视频/显示： 7段数码管：x8 VGA视频输出接口 Audio音频接口 
• 通信接口：UART：USB转UART   Bluetooth：蓝牙模块 
• 模拟接口： DAC：8-bit分辨率   XADC：2路12bit 1Msps ADC

目录

 Ⅰ. 前置知识

0x00 表决器

0x01 真值表表示

0x02 卡诺图表示

0x03 逻辑表达式：

Ⅱ. Verilog实现

0x00 新建工程并添加的IP包

0x01 利用IP器件创建电路

0x02 Test Bench——添加仿真激励文件

0x03 仿真记录与分析 

 Ⅲ. 解释说明

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 Ⅰ. 前置知识

0x00 表决器

以三人表决器为例说明多人表决电路的原理。

设三人表决器中输入为A、B、C，同意用1表示，不同意用0表示。输出为F，A、B、C三者中多数同意，提案通过，否则提案不被通过；通过用1表示，不通过用0表示。

0x01 真值表表示

输入			输出
A	B	C	F
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

0x02 卡诺图表示

0x03 逻辑表达式

 过程：写输出表达式即把输出结果为一的输入相加。如上F的一的有四个，把结果为一对应的输入写出即可,再化简，可通过卡诺图以及逻辑表达式化简。

可用狄摩根律转化为与非形式

若此步有不清楚的可留言

Ⅱ. Verilog实现

在本次Verilog实现表决器的功能中，我们学习如何利用他人封装好的组件型IP器件进行设计，故选择为工程添加所需IP包的方法。

0x00 新建工程并添加的IP包

在工程settings中IP的Repository中选择所需IP包的存放目录

点击Select，在图所示对话框中点击ok

Repositories自动更新如图：

点击OK完成IP包的添加

0x01 利用IP器件创建电路

点击Flow Navigator中的IP INTEGRATOR下Create Block Design，为电路设计命名：

 点击OK后工程自动更新至如图：

 在Diagram窗中点击按钮，添加IP器件。

根据原理中的F=AB+BC+CA，本实验添加两种基本器件：AND和OR，

如图：

完成后Design窗自动更新至下图效果：

 在Diagram窗，完成器件添加

之后添加基本引脚：

 增加输入引脚3个，命名自拟

可以为A、B、C，输出1个，可以命名为F。

完成连线，如图：

 点击检查布线的正确性

另外，可点击可以自动优化布线，但这一步并不是必须的

可得出下图：

 点击【保存】按钮，保存电路设计文件：

在Sources栏可以看到新增的文件如图：

 点击该新增文件，如图：

点击Create HDL Wrapper菜单。利用默认项，可让Vivado自动生成代码，如图：

Source栏会自动更新至如图效果：

0x02 Test Bench——添加仿真激励文件

`timescale 1ns / 1ps
module sim4Second( );
reg inA;reg inB;reg inC;
wire outF;
IPdesign_Second_wrapper test(.A(inA),.B(inB),.C(inC),.F(outF));
always begin
            inA = 0;inB = 0;inC=0;   #100;
            inA = 0;inB = 0;inC=1;   #100;
            inA = 0;inB = 1;inC=0;   #100;
            inA = 0;inB = 1;inC=1;   #100;
            inA = 1;inB = 0;inC=0;   #100;           
            inA = 1;inB = 0;inC=1;   #100;
            inA = 1;inB = 1;inC=0;   #100;
            inA = 1;inB = 1;inC=1;   #100;
        end
endmodule

0x03 仿真记录与分析 

		输入			输出
周期	时间	A	B	C	F
1	0-100ns	0	0	0	0
2	100ns-200ns	0	0	1	0
3	200ns-300ns	0	1	0	0
4	300ns-400ns	0	1	1	1
5	400ns-500ns	1	0	0	0
6	500ns-600ns	1	0	1	1
7	600ns-700ns	1	1	0	1
8	700ns-800ns	1	1	1	1

 Ⅲ. 解释说明

本篇博客旨在学习如何利用他人封装好的组件型IP器件进行设计，从而理解在vivado中，Block Design仅仅是用以设计的直观，最终还是需要生成Verilog等硬件描述语言后才能进一步完成后续设计。

同时，本实验中，生成的IPdesign_Second_wrapper这个module其实是调用了IPdesign_Second，这种调用属于模块化设计方法，因此仿真激励文件中语句IPdesign_Second_wrapper test(参数); 其实信号会继续传递给IPdesign_Second 子模块; 请在仿真界面中调出不同模块的引脚波形进行观察理解。

若不使用导入IP包的方法，设计文件可书写如下：

`timescale 1 ps / 1 ps

module design_1_wrapper(A,B,C,F);
  input A;
  input B;
  input C;
  output F;

  wire A;
  wire B;
  wire C;
  wire F;

  design_1 design_1_i (.A(A),.B(B), .C(C),.F(F));
endmodule