描述

這是一個由 5 部分組成的博客：

第 1 部分：FPGA 基礎知識

第 2 部分：在 Spartan 6 FPGA 上使用 Xilinx ISE 的組合邏輯

第 3 部分：在 Cyclone-IV FPGA 上使用 Quartus Prime 的順序邏輯

第 4 部分：在 Artix-7 FPGA 上使用 Vivado 的組合邏輯與順序邏輯

第 5 部分：最終項目 - DE0 Nano 開發(fā)板上的 Pong 游戲

目標：

比較和分析使用在 Artix-7 FPGA 上實現(xiàn)的組合邏輯和順序邏輯的移位器的性能

順序邏輯：移位寄存器

我們都知道什么是移位寄存器，以及為什么要使用它們——對寄存器中的位進行移位嗎？

但是 CPU 或微控制器內部的應用程序非常廣泛，并且在算術和邏輯單元中發(fā)揮著至關重要的作用，尤其是在如今的 ARM 處理器中。

下面給出的設計專門用于右移。但為什么？此操作在老式8086微處理器中用于實現(xiàn) ROR 指令。

8 位移位寄存器設計：

Verilog 實現(xiàn)：

有沒有其他方法可以移動位？

- 是的，桶形移位器。

組合邏輯：桶形移位器

真值表：

在這篇博客中，我將討論使用多路復用器的 8 位桶形移位器的設計和實現(xiàn)。

我要遵循的建模是 Verilog HDL 中的結構設計。

首先，讓我們設計一個 2:1 Mux

結構模型中 2:1 Mux 的 Verilog 代碼非常簡單，我們有 2 個與門、1 個非門和 1 個或門。

除了常規(guī)的輸入和輸出外，還為門輸出聲明了三根線，并根據(jù)結構進行連接。

8位桶形移位器的設計：

通過使用結構設計，我們可以確保設計以我們想要的方式實現(xiàn)。

Verilog 實現(xiàn)：

桶形移位器的工作：

這就是桶形移位器如何根據(jù)選擇線移動位。

在 Artix-7 FPGA 上的實現(xiàn)：

我將使用 USB104-A7 FPGA 開發(fā)板來實現(xiàn)。這是幾個月前的路試。在此處閱讀評論：USB104 A7：Artix-7 FPGA 開發(fā)板 - 評論

定制 Pmod 的制作：

由于按鈕和 LED 等用戶 I/O 外設非常少，因此要制造定制 Pmod（外設模塊）以實現(xiàn)數(shù)字設計。

讓我們看一下制造的示意圖。

使用 NI Multisim 進行的設計：

從原理圖中可以看出，使用 10k 電阻器將用于上拉和下拉目的。

由于已經(jīng)有一個 200 歐姆的電阻串聯(lián)到 Pmod GPIO 上，以防止意外將輸入驅動為輸出時損壞 FPGA，

僅 100 歐姆電阻與 LED 串聯(lián)使用。所有開關均處于高電平有效。電路圖如下：

這是上面制作的 Pmod 的一般約束文件：

## Pmod Header JA
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F4    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]; #IO_L13P_T2_MRCC_35 Sch=ja[1]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]; #IO_L13N_T2_MRCC_35 Sch=ja[2]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]; #IO_L14P_T2_SRCC_35 Sch=ja[3]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[3] }]; #IO_L14N_T2_SRCC_35 Sch=ja[4]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[4] }]; #IO_L15P_T2_DQS_35  Sch=ja[7]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[5] }]; #IO_L15N_T2_DQS_35  Sch=ja[8]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[6] }]; #IO_L16P_T2_35      Sch=ja[9]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[7] }]; #IO_L16N_T2_35      Sch=ja[10]
### Pmod Header JB
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C4    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[0] }]; #IO_L7P_T1_AD6P_35     Sch=jb[1]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[1] }]; #IO_L10N_T1_AD15N_35   Sch=jb[2]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[2] }]; #IO_L10P_T1_AD15P_35   Sch=jb[3]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B4    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[3] }]; #IO_L7N_T1_AD6N_35     Sch=jb[4]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[4] }]; #IO_L9P_T1_DQS_AD7P_35 Sch=jb[7]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[5] }]; #IO_L9N_T1_DQS_AD7N_35 Sch=jb[8]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[6] }]; #IO_L8N_T1_AD14N_35    Sch=jb[9]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A4    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_b[7] }]; #IO_L8P_T1_AD14P_35    Sch=jb[10]
### Pmod Header JC
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C5    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[0] }]; #IO_L1N_T0_AD4N_35     Sch=jc[1]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C6    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[1] }]; #IO_L1P_T0_AD4P_35     Sch=jc[2]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B6    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[2] }]; #IO_L2N_T0_AD12N_35    Sch=jc[3]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C7    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[3] }]; #IO_L4N_T0_35          Sch=jc[4]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A5    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[4] }]; #IO_L3N_T0_DQS_AD5N_35 Sch=jc[7]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A6    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[5] }]; #IO_L3P_T0_DQS_AD5P_35 Sch=jc[8]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B7    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[6] }]; #IO_L2P_T0_AD12P_35    Sch=jc[9]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D8    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_a[7] }]; #IO_L4P_T0_35          Sch=jc[10]

Vivado 入門：

如果您計劃使用 FPGA 板上的按鈕，請確保在移位寄存器項目的約束文件中添加命令，因為由于時鐘專用路由錯誤，實現(xiàn)將無法完成。

Artix-7 FPGA 上的 8 位移位寄存器：

Artix-7 FPGA 上的 8 位桶形移位器：

實施后的最終比較：

謝謝閱讀！