FPGA—多路选择器(简单逻辑组合电路)

Posted 2021-07-04 果果小师弟

摘要：多路选择器是数据选择器的别称。在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。在选择变量控制下，从多路数据输入中某一路数据送至输出端。对于一个具有 2^n 个输入和 1 个输出的多路选择器，有 n 个选择变量。多路选择器也是 FPGA 内部的一个基本资源，主要用于内部信号的选通。简单的多路选择器还可以通过级联生成更大的多路选择器。

一、使用的开发板

LED灯硬件原理图

流水灯实验管脚分配

按键电路原理图

触摸按键控制LED管脚分配图

二、功能分析

1、模块框图

模块框图

输入输出信号描述

2、波形图绘制

框图结构设计完毕后就可以实现该模块的具体功能了，也就是要找到输入和输出之间具体的映射关系。输入和输出满足信号与系统中输入与响应的关系。其中输入信号的名字用绿色表示，输出信号的名字用红色表示，任意模拟输入波形，画出输出信号的波形。

经分析得，当 sel 为低电平时，out 的输出波形和 in2 相同；当 sel 为高电平时，out 的输出波形和 in1 相同。根据分析的输入输出关系，我们列出如表格所示的真值表，然后再根据真值表的输入与输出的对应关系画出波形图。其波形图如图所示，图中蓝色的线代表有效信号。

三、程序设计

1、RTL代码的编写

开始RTL代码的编写，RTL代码编写出的模块叫RTL模块（后文中也称功能模块、可综合模块）。之所以叫RTL代码是因为用Verilog HDL在Resistances Transistors Logic（寄存器传输级逻辑）来描述硬件电路，RTL代码能够综合出真实的电路以实现我们设计的功能，区别于不可综合的仿真代码。

`timescale  1ns/1ns


module  mux2_1 //模块的开头以“module”开始,然后是模块名“mux2_1”
(
    input   wire    in1,    //输入端1,信号名后就是端口列表“();”（端口列表里面列举了该模块对外输入、输出信号的方式、类型、位宽、名字）,该写法采用了Verilog-2001标准,这样更直观且实例化更方便,之前的Verilog-1995标准是将模块对外输入、输出信号的方式、类型、位宽都放到外面
    input   wire    in2,    //输入端2,当数据只有一位宽时位宽表示可以省略,且输入只能是wire型变量
    input   wire    sel,    //选择端,每行信号以“,”结束,最后一个后面不加“,”

    output  reg     out     //结果输出,输出可以是wire型变量也可以是reg型变量,如果输出在always块中被赋值（即在“<=”的左边）就要用reg型变量,如果输出在assign语句中被赋值（即在“=”的左边）就要用wire型变量
);    //端口列表括号后有个“;”不要忘记

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//out:组合逻辑输出sel选择的结果
always@(*)                  //“*”为通配符,表示只要if括号中的条件或赋值号右边的变量发生变化则立即执行下面的代码,“(*)”在此always中等价于“(sel, in1, in2)”写法
    if(sel == 1'b1)         //当“if...else...”中只有一个变量时不需要加“begin...end”,也显得整个代码更加简洁
        out = in1;          //always块中如果表达的是组合逻辑关系时使用“=”进行赋值,每句赋值以“;”结束
    else
        out = in2;

/*
//out:组合逻辑输出选择结果
always@(*)
    case(sel)
        1'b1    : out = in1;

        1'b0    : out = in2;

        default : out = in1;    //如果sel不能列举出所有的情况一定要加default。此处sel只有两种情况,并且完全列举了,所以default可以省略
    endcase
*/

/*
out:组合逻辑输出选择结果
assign out = (sel == 1'b1) ? in1 : in2; //此处使用的是条件运算符（三元运算符）,当括号里面的条件成立时,执行"?”后面的结果；如果括号里面的条件不成立时,执行“:”后面的结果
*/

endmodule  //模块的结尾以“endmodule”结束（每个模块只能有一组“module”和“endmodule”,所有的代码都要在它们中间编写）

2、代码的分析和综合

3、 查看RTL视图

4、Testbench代码的编写

//时间尺度、精度单位定义,决定“#(不可被综合,但在可综合代码中也可以写,只是会在仿真时表达效果,而综合时会自动被综合器优化掉)”
//后面的数字表示的时间尺度和精度,具体表达含义为:“时间尺度/时间精度”。
//为了以后编写方便我们将该句放在所有“.v”文件的开头,后面的代码示例将不再显示该句
`timescale  1ns/1ns 
/*testbench的格式和待测试RTL模块的格式相同,也是以“module”开始以“endmodule”结束,所有的代码都要在它们中间编写。
不同的是在testbench中端口列表为空,因为testbench不对外进行信号的输入输出,
只是自己产生激励信号提供给内部实例化待测RTL模块使用,所以端口列表中没有内容,
只是列出“()”,当然也可以将“()”省略,括号后有个“;”不要忘记*/
module  tb_mux2_1(); 


//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//reg   define
//要在initial块和always块中被赋值的变量一定要是reg型
//(在testbench中待测试RTL模块的输入永远是reg型变量)
reg     in1;
reg     in2;
reg     sel;

//wire  define
//输出信号,我们直接观察,也不用在任何地方进行赋值,所以是wire型变量
//(在testbench中待测试RTL模块的输出永远是wire型变量)
wire    out;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
/*initial语句是不可以被综合的,一般只在testbench中表达而不在RTL代码中表达。,
initial块中的语句上电后只执行一次,主要用于初始化仿真中要输入的信号,
初始化值在没有特殊要求的情况下给0或1都可以。如果不赋初值,仿真时信号会显示为
不定态(ModelSim中的波形显示红色)*/
initial
    begin   //在仿真中begin...end块中的内容都是顺序执行的，在没有延时的情况下几乎没有差别，看上去是同时执行的，如果有延时才能表达的比较明了；而在rtl代码中begin...end相当于括号的作用，在同一个always块中给多个变量赋值的时候要加上
        in1 <= 1'b0;
        in2 <= 1'b0;
        sel <= 1'b0;
    end

//in1:产生输入随机数,模拟输入端1的输入情况
always #10 in1 <= {$random} % 2;    //取模求余数,产生非负随机数0、1,每隔10ns产生一次随机数

//in2:产生输入随机数,模拟输入端2的输入情况
always #10 in2 <= {$random} % 2;

//sel:产生输入随机数,模拟选择端的输入情况
always #10 sel <= {$random} % 2;

//下面的语句是为了在ModelSim仿真中直接打印出来信息便于观察信号变化的状态,也可以不使用下面的语句而直接观察仿真出的波形
//------------------------------------------------------------
initial begin
    $timeformat(-9, 0, "ns", 6);    //设置显示的时间格式,此处表示的是(打印时间单位为纳秒,小数点后打印的小数位为0位,时间值后打印的字符串为“ns”,打印的最小数量字符为6个)
    $monitor("@time %t: in1=%b in2=%b sel=%b out=%b", $time, in1, in2, sel, out);   //只要监测的变量(时间、in1, in2, sel, out)发生变化,就会打印出相应的信息
end
//------------------------------------------------------------

//********************************************************************//
//**************************** Instantiate ***************************//
//********************************************************************//
//待测试RTL模块的实例化,相当于将待测试模块放到测试模块中,并将输入输出对应连接上,测试模块中产生激励信号给待测试模块的输入,以观察待测试模块的输出信号是否正确
//------------- mux2_1_inst -------------
mux2_1  mux2_1_inst
(    
//第一个是被实例化模块的名子,第二个是我们自己定义的在另一个模块中实例化后的名字。同一个模块可以在另一个模块中或不同的另外模块中被多次实例化,第一个名字相同,第二个名字不同
    .in1(in1),  //input     in1,前面的“in1”表示被实例化模块中的信号,后面的“in1”表示实例化该模块并要和这个模块的该信号相连接的信号(可以取名不同,一般取名相同,方便连接和观察),“.”可以理解为将这两个信号连接在一起
    .in2(in2),  //input     in2
    .sel(sel),  //input     sel

    .out(out)   //output    out
);
endmodule

5、ModelSim仿真波形

6、上板验证