实验2.2 4位比较器

1.实验目的

熟悉和掌握FPGA开发流程和Lattice Diamond软件使用方法
通过实验理解和掌握比较器原理
学习用Verilog HDL描述多位比较器级联电路

2.实验任务

本实验的任务是描述4位的比较器电路，并用for语句和task语句实现比较器电路的级联效果。

3.实验原理

1位的比较器有如下性能：

如果X>Y或者X=Y且Gin=1，那么输出Gout为1；
如果X=Y且Gin=0和Lin=0，那么输出Eout为1；
如果X<Y或者X= Y且Lin=1 ，那么输出Lout为1 。

1位比较器原理图与真值表如下：

写一个如下图所示的4位比较器的Verilog程序，我们可以使用1位比较器的Verilog模块，然后使用4个模块实例语句创建这个顶层模块设计。若想增加比较器的大小，需要为增加的X和y的每一位写新的模块例化语句。在Verilog always块中使用for循环语句，就可以很方便地实现任意位比较器。然而，模块实例语句不能用在always模块中，但可以用在任务（task）中。 Verilog for循环语句的一般形式为初始分配为循环变量设置初始值。当条件为真时，执行表达式，然后由语句描述的for循环实体执行。之后，增量更新，再执行一次表达式。for循环的实体一直循环执行，直到条件表达式的值为假。如果for循环的实体部分包含多条语句，那么应该放在begin和end之间。

4.Verilog HDL建模描述

程序清单comp4.v

// --------------------------------------------------------------------
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// File name    : comp4.v
// Module name  : comp4
// Author       : Step
// Description  : comp4
// Web          : www.stepfpga.com
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2015/11/11   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
  module comp4
(
    //INPUT
    x           ,
    y           ,
 
    //OUTPUT
    gt_led      ,
    eq_led      ,
    lt_led      ,
    empty
);
 
    //*******************
    //DEFINE INPUT
    //*******************
 
input  [3:0]        x           ;    //4 bit input x (switch)
    input  [3:0]        y           ;    //4 bit input y (button)
 
 
 
    //*******************
    //DEFINE OUTPUT
    //*******************
    output              gt_led      ;    //x is bigger than y
    output              eq_led      ;    //x is equal to y
    output              lt_led      ;    //x is smaller than y
    output              empty       ;
 
    //********************
    //OUTPUT ATTRIBUTE
    //********************
    //REGS
    reg                 gt_led      ;    
    reg                 eq_led      ;
    reg                 lt_led      ;
 
    //WIRE
    wire    [10:0]      empty       ;
 
    //*********************
    //INNER SIGNAL DECLARATION
    //*********************
    //REGS
    reg   [4:0]         G  =0   ;    
    reg   [4:0]         L  =0   ;    
    reg   [4:1]         E       ;    
 
    //WIRES
integer             i       ;
 
 
    //*********************
    //MAIN CORE
    //*********************
 
    always @ (*)
    begin
        for(i=0;i<4;i=i+1)
        comp1(x[i],y[i],G[i],L[i],G[i+1],L[i+1],E[i+1]);
        gt_led=~G[4];               //the led's default mode is lighted 
        eq_led=~E[4];               //the led's default mode is lighted
        lt_led=~L[4];               //the led's default mode is lighted
    end 
 
 
    task comp1(
                input       x       ,
                input       y       ,
                input       Gin     ,
                input       Lin     ,
                output      Gout    ,
                output      Lout    ,
                output      Eout
                );
    begin 
        Gout=x&~y|x&Gin|~y&Gin;
        Eout=~x&~y&~Gin&~Lin|x&y&~Gin&~Lin;
        Lout=~x&y|~x&Lin|y&Lin;
    end
    endtask
 
 assign  empty=11'b111_1111_1111;    
 
endmodule

五、实验步骤

1.新建工程

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。

3. 输入仿真文件

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）。

4. 功能仿真

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。

5. 综合

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。

6. 分配管脚

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。

7. 布局布线

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

8. 生成配置文件

勾选并双击JEDEC File生成可下载的jed文件。

9. 下载

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。

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