实验1.3 卡诺图变换

• 熟悉和掌握FPGA开发流程和Lattice Diamond软件使用方法 * 通过实验理解基本门电路
• 掌握用Verilog HDL描述逻辑电路 ===== 2.实验任务 ===== 了解并掌握4变量卡诺图的化简方法

卡诺图：在真值表的输出列种，每个“1”输出都代表一个相应的乘积项。所以， 如果“1”输出项多余8个，我们就得设法减少乘积项数，使得逻辑函数在器件上得以实现。“卡诺图”是种完成函数化简的非常简单实用的图形化方法，特别是对于含有2、3和4个变量的布尔函数，对于多于4个变量的布尔函数化简，卡诺图的化简方法就开始变得繁琐。 卡诺图画圈原则：

• 对相邻的值为“1”的小方块画包围圈，画若干包围圈；
• 每个包围圈中必须含有2n个小方块（n=0，1，2，……）
• 小方块可重复被包围，但每个包围圈中必须含有其他包围圈没有的新小方块
• 不能漏掉任何值为1的小方块
• 包围圈所含的小方块数目要尽可能多，包围圈数目要尽可能少
• 画包围圈的顺序由大→小 * 普通列表项目
• 将每个包围圈中的最小项合并成一项→乘积项；
• 留下相同的因子，消去不同的因子
• 对各个包围圈合并成的乘积项求逻辑和；

多输入电路的真值表与对应的卡诺图如下图所示：

LED默认状态为点亮，若其他LED不加控制，则会常亮，影响显示状态。以下代码目的为改变其默认参数，使之常灭：

assign empty=8'b1111_1111; 

由于LED为低电平触发，若直接将z连接在LED管脚上，LED亮将代表输入为低电平，LED灭代表输入为高电平。所以有如下代码，使之更符合我们的思维习惯：

assign led=~z;

本实验代码编写比较简单，只需一个f的组合逻辑即可，重点在卡诺图简化：

assign f=b&c&d|a&c&d|a&b&d|a&b&c;

由上述逻辑表达式构成的原理图，如下图所示：

双击打开Lattice Diamond软件，点击File—New—Project新建工程，输入工程名称，指定工程保存目录，单击Next，选择设备如下：

• Family选择MachXO2，
• Device选择LCMXO2-4000HC,

  • Performance grade选择4，
  • Package type选择CSBGA132，
  • Operating conditions选择Commercial，
  • Part Names为LCMXO2-4000HC-4MG132C。
  • 选择综合工具Lattice LSE，完成。
    

  2. 输入Verilog文件

点击File—New—File新建文件，类型选择Verilog Files，输入文件名称，选择保存路径，输入实验中的源代码后保存，编辑器会自动检查有无编辑错误，在下面的Output一栏会输出检查结果，如果有错误更正后重新保存直到没有报错为止。

按照步骤(2)新建一个Verilog仿真文件，输入实验例程中仿真文件的代码后保存。在软件File List一栏中，右键单击“仿真文件”—Include for—Simulation,将文件设置为仿真文件（设置完成后文件图标的V会消失）。

点击Tools选择Simulation Wizard或点击图标，按照仿真向导指示新建仿真工程，

• 输入工程名称，选择工程目录，选择Simulator为Active-HDL，
• Process Stage选择RTL，
• Add and Reorder Source：确认参与仿真的文件列表，Next
• Parse HDL files for simulation：软件会编译仿真文件，若报错需修改后重新仿真
• Summary：确认仿真工程信息，勾选Run simulator、Add top-level signals to waveform display和Run simulation，然后Finish

仿真软件会自动启动、运行仿真并显示仿真结果。查看仿真结果是否符合预期功能，如果不符合电路功能，则修改Verilog代码保存后，在Active-HDL中选择Design—Compile All 重新编译文件，编译通过后，在Simulation中重新开始仿真。

在Lattice Diamond软件的Process一栏，双击第一项Synthesize Design进行综合（确保仿真文件设置为simulation后不参与综合），综合结果会在下面的Output一栏中给出，如果有错误则修改Verilog文件后重新综合直至综合成功为止。

打开Tools—Spreadsheet View或是点击图标在Port Assignments一栏中对输入输出信号分配引脚。

双击Process一栏的Map Design和Place & Route Design完成FPGA内部的布局布线。

勾选并双击JEDEC File生成可下载的jed文件。

打开Tools—Programmer或单击图标，根据下图选择设备和下载文件，点击上面的绿色按钮Program，下载jed文件到FPGA，下载成功后Status状态显示PASS（下载前确保下载器驱动成功安装）。 观察开发板现象。