EDA与SOPC基础  一  一

  实验一：通用移位寄存器的设计

一、实验目的：

学习使用QuartusII软件完成时序逻辑电路的设计，掌握通用移位寄存器的基本设计方法。

二、实验内容：

用VHDL设计一个多功能通用移位寄存器，要求具有同步置位(load)、异步复位(clr)、无符号数左移(sel=11)、无符号数右移(sel=10)、循环左移(sel=01)、循环右移(sel=00)等六项基本功能。结合UP-SOPC1000实验系统，通过QuartusII软件对其进行仿真和硬件测试。

三、实验步骤：

1.完成同步加载以及异步复位功能。

2.当输入sel=11时实现无符号左移功能。

3.当输入sel=10时实现无符号右移功能。

4.当输入sel=01时实现循环左移功能。

5.当输入sel=00时实现循环右移功能。

6.利用QuartusII软件对所写程序进行时序仿真与分析最后完成管脚琐定及在线编程。

四、VHDL语言程序设计

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;

entity shift is                                                     ---  定义实体名为shift
port (clk,load,clr: in bit;                                      ---  定义输入输出端口
      date_in: in std_logic_vector(3 downto 0);
set: in std_logic_vector(1 downto 0);
date_out: out std_logic_vector(3 downto 0));
end entity;

architecture one of shift is                                  ---  定义结构体名为one
signal date :std_logic_vector(3 downto 0);           
 begin
process(clk,clr,set,date_in,load)                          ---  进程的开始，主程序部分
 begin
if clr = '1' then date <= "0000";
elsif clk'event and clk = '1'  then
   if load='1' then date <= date_in;
else
case set is
when "11" => date <= date(2 downto 0) & '0' ;         ---  无符号左移
when "10" => date <=  '0' & date(3 downto 1) ;        ---  无符号右移
when "01" => date <= date(2 downto 0) & date(3) ;  ---  循环左移
when "00" => date <= date(0) & date(3 downto 1) ;  ---  循环右移
when others => date <= "0000";
end case;

end if;
end if;
date_out <= date;                                                   ---  输出数据
end process;
end one;

五、顶层电路框图及时序波形图

六、引脚说明以及波形分析

根据要求，程序中clr是具有异步复位功能，当为1时对系统进行复位，其优先级最高；

Load是同步置位功能，当时钟上升沿来临时若此时load=1,则输出当前值；

Clk是时钟信号，上升沿有效；

Sel为选通信号，取值范围sel={00,01,10,11}分别对应循环右移，循环左移，无符号右移和无符号左移；

从波形图中可以看出，在异步复位信号clr为1的期间，系统处于复位状态，输出一直为0；在异步复位信号为0以及同步置位信号load为1期间，也就是第三个上升沿之时，系统输出当前的状态data_in=1101；接下来sel=00表示循环右移，随着上升沿的到来输出从1101到1110再到0111，这是循环右移的过程，此后，随着选通信号sel的变化，输出随之而变化，符合实验的要求。

 

第二篇：实验七_移位寄存器及其应用

实验七 移位寄存器及其应用

一、实验目的

1.         熟悉移位寄存器的工作原理和特点；

2.         熟悉74LS194双向移位寄存器的使用方法，并验证其基本功能；

3.         掌握双向移位寄存器的基本应用。

二、预习要求

1.         复习有关寄存器和移位寄存器的章节；

2.         按实验内容的要求，做好实验预习报告，画好实验线路图和记录表格。

三、实验设备与器件

1.         TDN-DS数字逻辑电路/数字系统设计教学实验系统。

2.         双向移位寄存器，型号为74LS194；

3.         数字万用表，连接导线若干。

四、实验的原理

1) 移位寄存器的定义

具有移位逻辑功能的寄存器称为移位寄存器。移位功能是每位触发器的输出与下一级触发器的输入相连而成。

2) 双向移位寄存器的逻辑功能

移位寄存器在应用中需要左移、右移保持、并行输入输出或串行输入输出等多种功能。具有上述多种功能的移位寄存器称为多功能的双向移位寄存器。如中规模集成电路74LS194就是具有左、右移位、清零、数据并入/并出或串出等多种功能的移位寄存器。它的管脚排列见图7-1，逻辑功能表见表7-1。

图7-1  74LS194外引脚排列图

由表7-1可见，74LS194具有如下功能：

（1） 清零。当=0时，不管其它输入为何态，输出为全0状态；

（2） 保持。CP=0，＝1时，其它输入为任意状态，输出状态保持；或者＝1，M₁、M₂均为0，其它输入为任意状态，输出状态也为保持；

（3） 置数。＝1，M₁= M₀＝1，在CP脉冲上升沿时，将输入端的数据D₀、D₁、D₂、D₃置入Q₀、Q₁、Q₂、Q₃中并寄存；

（4） 右移。＝1，M₁=0，M₀＝1，在CP脉冲上升沿时，实现右移操作，此时输入数据D_SR向右移位；

（5） 左移。＝1，M₁=1，M₀＝0，在CP脉冲上升沿时，实现左移操作，此时输入数据D_SL向左移位；

表7-1  74LS194逻辑功能表

3) 移位寄存器的应用

移位寄存器可以起到多方面的作用，可以存贮或延迟输入、输出信息，也可以用来把串行的二进制数转换为并行的二进制数（串并转换）或相反（并串转换）。在计算机电路中，还可以应用移位寄存器来实现二进制的乘2和除2功能。

    在具体独立应用方面，移位寄存器不单可做成可编程的分频器、串行加法器、串行累加器和序列号发生器（见书上P229），而且还可以用来构成计数器，这是工程中经常用到的。以74LS194双向移位寄存器为例，74LS194可构成环形计数器、扭环形计数器和自启动的扭环形计数器。

五、实验的步骤

㈠ 集成移位寄存器基本功能验证。

将74LS194插入实验箱中，并按图7-2进行接线。接线完毕后，接通电源，即可进行74LS194双向移位寄存器的功能验证。

① 清零。将复位开关K₃置0，使=0，通过观察LED灯的亮、灭情况，记录有关实验数据。

=0时，74LS194输出为：Q₀Q₁Q₂Q₃=        。

② 保持。使=1，CP＝0，拨动逻辑开关K₁和K₂，输出状态不变。或者使=1，M₁和M₀都为0（即K₁和K₂都为0），按动单次脉冲，这时输出状态仍不变。

 ③ 置数。使=1，M₁=M₀=1，数据开关置为0101，按动单次脉冲，这时数据0101存入Q₀Q₁Q₂Q₃中。根据LED发光二极管的状态，记录Q₀Q₁Q₂Q₃＝        ；变换数据开关的输出为1011，再按动单次脉冲，根据LED发光二极管的状态，记录Q₀Q₁Q₂Q₃＝        。

 

图7-2  74LS194双向移位寄存器实验接线图

④ 右移。把Q₃接到D_SR，按③中的方法先置入数据0001（这时=1，M₁=M₀=1，D₀D₁D₂D₃=0001），再置M₁=0，M₀=1，为右移方式，输入单次脉冲，移位寄存器在CP上升沿时实现右移操作。记录移位的情况：

⑤ 左移。将Q₃接到D_SR的线断开，而把Q₀连到左移输入D_SL端，其余方法同上述右移，即按③中的方法先置入数据0001（这时=1，M₁=M₀=1，D₀D₁D₂D₃=0001），再置M₁=1，M₀=0，为左移方式，输入单次脉冲，移位寄存器在CP上升沿时实现左移操作。记录移位的情况：

㈡ 集成移位寄存器的应用。

按图7-3接线，Q_A、Q_B、Q_C和Q_D分别接4只LED发光二极管，D_SR与Q₃相连，D₀~D₃接数据开关，M₁、M₀和分别接逻辑开关，CP接单次脉冲，16脚接+5V，8脚接地。令=1，M₁=M₀=1，D₀D₁D₂D₃=1000，记录此时的Q_AQ_BQ_CQ_D=         ，

再置M₁=0，M₀=1，为右移方式，输入单次脉冲，移位寄存器在CP上升沿时实现右移操作。记录移位的情况：

图7-3  74LS194双向移位寄存器构成环形计数器的接线图

实验结果分析和结论：

六、思考题

1) 举例说明双向移位寄存器的应用。

2) 根据图7-4，从清零开始，画出图中计数器的状态图，并分析图中与非门在74LS194形成自启动扭环模13计数器中的作用。

图7-4  74LS194构成自启动扭环形计数器

七、实验报告要求

1.       实验目的；

2.       实验设备与采用的元器件；

3.       实验的实际电路接线图与相关的实验数据；

4.       实验的结论；

5.  思考题解答。