【FPGA】Verilog：组合电路 | 3—8译码器 | 编码器 | 74LS148

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

示例：编码/译码器的应用

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• 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 3-8译码器74LS138的工作原理

0x01 优先编码器74148的工作原理

Ⅱ. Verilog实现

0x00 优先编码器74LS148

0x01 3—8译码器

0x02 结果数据

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Ⅰ. 前置知识

0x00 3-8译码器74LS138的工作原理

利用Vivado提供的IP包（如下图所示）

也可直接（见下列代码）搭建74LS138功能验证电路。

（1）当选通端e1为高电平，另两个选通端e2和e3为低电平时，芯片使能。将地址端（a2、a1、a0）的二进制编码在y0至y7对应的输出端以低电平译出。比如：a2a1a0=110时，则y6输出低电平信号。

（2）利用 e1、e2和e3可方便的级联扩展成16线译码器、32线译码器。

        （3）若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可用作数据分配器

 测试74LS138逻辑关系接线图

用verilog编程实现译码功能，参考代码如下。参考程序中使能信号需要自行补全。 

module converter(DB,SEG); 
    input[2:0]  DB; 
    output[7:0]  SEG; 
    reg[7:0]  SEG; 
    always  @(DB)     
    begin 
   	case(DB) 
   	4'b0000:  SEG<=8'b11111110; 
    	4'b0001:  SEG<=8’b11111101; 
   	4'b0010:  SEG<=8’b11111011; 
   	4'b0011:  SEG<=8’b11110111; 
   	4'b0100:  SEG<=8’b11101111; 
   	4'b0101:  SEG<=8’b11011111; 
   	4'b0110:  SEG<=8’b10111111; 
  	    4'b0111:  SEG<=8’b01111111; 
 	 default:  SEG<=8'b11111111; 
        endcase 
   end 
endmodule 

0x01 优先编码器74148的工作原理

在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。

不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。

74148是一个8-3线优先级编码器。74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚 VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。

其中 i0~i7为输入信号（i7优先权最高），qc、qb、qa为三位二进制编码输出信号，ei是使能输入端，eo使能输出端，gs为片优先编码输出端。

电路接线如下图所示：

 编码器接线

用verilog编程实现优先编码功能，参考代码如下：

module encoder_83 (din, EI, GS, EO, dout);
   input [7:0] din;  //编码输入端data_in，低电平有效
   input EI;  //使能输入端EI（选通输入端），EI为 0 时芯片工作,即允许编码
   output [2:0] dout;  //编码输出端data_out
   output GS;  //片优先编码输出端，优先编码器工作工作状态标志GS，低电平有效
   output EO;  //使能输出端EO（选通输出端）
   reg [2:0] dout;
   reg GS, EO;
   always @(din or EI)
     if(EI) begin dout <= 3'b111; GS <= 1; EO <= 1; end  //所有输出端被锁存在高电平
     else if (din[7] == 0) begin dout <= 3'b000; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[6] == 0) begin dout <= 3'b001; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[5] == 0) begin dout <= 3'b010; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[4] == 0) begin dout <= 3'b011; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[3] == 0) begin dout <= 3'b100; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[2] == 0) begin dout <= 3'b101; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[1] == 0) begin dout <= 3'b110; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din[0] == 0) begin dout <= 3'b111; GS <= 0; EO <= 1; end
     else if (din == 8'b11111111) begin dout <= 3'b111; GS <= 1; EO <= 0; end //芯片工作，但无编码输入
     else begin dout <= 3'b111; GS <= 1; EO <= 1; end  //消除锁存器（latch）
endmodule
//EI = 0 表示允许编码，否则所有输出端被封锁在高电平（控制芯片工作）
//EO = 0 表示电路工作，但无编码输入（用于级联）
//GS = 0 表示电路工作，且有编码输入（判断输入端是否有输入）

Ⅱ. Verilog实现

0x00 优先编码器74LS148

设计代码：

 module encoder1(n_EI,n_I,n_Y,n_CS,n_E0);
input n_EI;
input [7:0] n_I;
output [2:0] n_Y;
output n_CS,n_E0;
reg [2:0] n_Y;
reg n_CS,n_E0;
always @(n_EI or n_I)
if(n_EI==0)
if(n_I[7]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_000;
else if(n_I[6]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_001;
else if(n_I[5]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_010;
else if(n_I[4]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_011;
else if(n_I[3]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_100;
else if(n_I[2]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_101;
else if(n_I[1]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_110;
else if(n_I[0]==0){n_CS,n_E0,n_Y}=5'b0_1_111;
else{n_CS,n_E0,n_Y}=5'b1_0_111;
else{n_CS,n_E0,n_Y}=5'b1_1_111;

endmodule

仿真测试代码：

module sim_encoder1();
reg n_EI;
reg [7:0] n_I;
wire [2:0] n_Y;
wire n_CS,n_E0;
encoder1 test(.n_EI(n_EI),.n_I(n_I),.n_Y(n_Y),.n_CS(n_CS),.n_E0(n_E0));
always begin
n_EI=1'b0;n_I=8'b01111111;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b10111111;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11011111;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11101111;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11110111;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11111011;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11111101;#100;
n_EI=1'b0;n_I=8'b11111110;#100;
end
endmodule

波形图：

0x01 3—8译码器

设计代码：

module encoder(B,SEG,en); 
    input[2:0]   B; 
    input[2:0]   en;
    output[7:0]  SEG; 
    reg[7:0]     SEG; 
    always  @(B or en)   
    if(en[2]&(~en[1])&(~en[0]))  
   	    case(B) 
   	    3'b000:  SEG=8'b11111110; 
    	3'b001:  SEG=8'b11111101; 
    	3'b010:  SEG=8'b11111011; 
    	3'b011:  SEG=8'b11110111; 
   	    3'b100:  SEG=8'b11101111; 
    	3'b101:  SEG=8'b11011111; 
   	    3'b110:  SEG=8'b10111111; 
  	    3'b111:  SEG=8'b01111111; 
 	    default: SEG=8'b11111111; 
        endcase 
      else SEG=8'b11111111;
endmodule 

仿真测试代码：

module sim_encoder(); 
    reg  [2:0]B;
    reg  [2:0]en;
    wire [7:0]SEG;
    encoder test(.B(B),.SEG(SEG),.en(en));
    always begin
        en=3'b100;B=3'b000;#100;
        en=3'b100;B=3'b001;#100;
        en=3'b100;B=3'b010;#100;
        en=3'b100;B=3'b011;#100;
        en=3'b100;B=3'b100;#100;
        en=3'b100;B=3'b101;#100;
        en=3'b100;B=3'b110;#100;
        en=3'b100;B=3'b111;#100;
     end
        
    
endmodule

波形图： 

0x02 结果数据

74LS138功能表

输入						输出
使能			选择
e1（G1）	e2（G2B）	e3（G2A）	a2(C)	a1(B)	a0(A)	y7	y6	y5	y4	y3	y2	y1	y0
0	×	×	×	×	×	1	1	1	1	1	1	1	1
1	×	1	×	×	×	1	1	1	1	1	1	1	1
1	1	×	×	×	×	1	1	1	1	1	1	1	1
1	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0
1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0	1
1	0	0	0	1	0	1	1	1	1	1	0	1	1
1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	0	1	1	1
1	0	0	1	0	0	1	1	1	0	1	1	1	1
1	0	0	1	0	1	1	1	0	1	1	1	1	1
1	0	0	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	1
1	0	0	1	1	1	0	1	1	1	1	1	1	1

 优先编码器74LS148功能表

输入									输出
ei使能	i7	i6	i5	i4	i3	i2	i1	i0	qc	qb	qa	eo 选通	gs 扩展
1	×	×	×	×	×	×	×	×	1	1	1	1	1
0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
0	0	×	×	×	×	×	×	×	0	0	0	1	0
0	1	0	×	×	×	×	×	×	0	0	1	1	0
0	1	1	0	×	×	×	×	×	0	1	0	1	0
0	1	1	1	0	×	×	×	×	0	1	1	1	0
0	1	1	1	1	0	×	×	×	1	0	0	1	0
0	1	1	1	1	1	0	×	×	1	0	1	1	0
0	1	1	1	1	1	1	0	×	1	1	0	1	0
0	1	1	1	1	1	1	1	0	1	1	1	1	0

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