第 3 章数字逻辑电路设计基础

【本章学习目标】

复习设计CPU必须掌握的数字逻辑电路及其对应的Verilog描述形式。
理解同步RAM和异步RAM的区别及其时序行为。
了解数字逻辑电路功能仿真时常见的错误并初步掌握其调试方法。

【本章实践目标】

本章安排三个实践任务（见本章第3.1节）。读者可以在学习本章内容的基础上完成这些任务，两者之间的对应关系如下：

??节的内容对应实践任务2（3.1.1节）和实践任务3（3.1.2节）。
??节的内容对应实践任务4（3.1.3节）。

3.1 任务与实践

完成本章的学习后，读者应完成以下三个实践任务：

寄存器堆仿真（具体内容见下面第3.1.1小节）。
同步、异步RAM仿真、综合实现（具体内容见第3.1.2小节）。
数字逻辑电路的设计与调试（具体内容见下面第3.1.3小节）。

3.1.1 实践任务2：寄存器堆仿真

本实践任务要求：

对一个寄存器堆设计进行功能仿真，通过观察其仿真波形了解行为特征。

实验环境中提供的寄存器堆源码为“两读一写”的结构，也就是有两个读端口（读端口没有使能位控制，表示永远使能）和一个写端口。接口信号如表3.1所示。

表 3.1: 寄存器堆接口信号列表
名称	宽度	方向	描述
clk	1	input	时钟信号
raddr1	5	input	寄存器堆读地址1
rdata1	32	output	寄存器堆读返回数据1
raddr2	5	input	寄存器堆读地址2
rdata2	32	output	寄存器堆读返回数据2
we	1	input	寄存器堆写使能
waddr	5	input	寄存器堆写地址
wdata	32	input	寄存器堆写数据

请参照第2.3.1节中介绍的方式获取本次实践任务所需的实验开发环境。具体的实验环境位于 dc_env/exp2/ 目录下，其目录结构如下：

|--regfile.v             寄存器堆源码文件。
|--rf_tb.v               寄存器堆仿真文件。

建议参考下列步骤完成本实践任务：

使用Vivado新建一个工程。
点击“Add Sources”，选择添加设计源码（design sources），加入regfile.v。
点击“Add Sources”，选择添加仿真源码（simulation sources），加入rf_tb.v。
对工程进行仿真测试，结合波形观察寄存器堆的读写行为。

3.1.2 实践任务3：同步RAM和异步RAM仿真、综合与实现

本实践任务要求：

调用Xilinx库IP实例化一个同步RAM，进行仿真以观察行为，进行综合和实现后查看时序结果和资源利用率。
调用Xilinx库IP实例化一个异步RAM，进行仿真以观察行为，进行综合和实现后查看时序结果和资源利用率。
对观察到的现象进行对比分析。

请参照第2.3.1节中介绍的方式获取本次实践任务所需的实验开发环境。具体的实验环境位于 dc_env/exp3/ 目录下，其目录结构如下：

|--block_ram_top.v       同步RAM（Block RAM）的源码顶层文件。
|--distributed_ram_top.v 异步RAM（Distributed RAM）的源码顶层文件。
|--ram.xdc               两种RAM的仿真约束文件，用于综合和实现。
|--ram_tb.v              两种RAM的仿真文件，用于仿真。

实验环境提供的设计顶层文件用于将两种类型的RAM封装成相同的模块名和接口。封装后的RAM顶层接口信号如表3.2所示。

表 3.2: RAM包封后顶层接口信号列表
名称	宽度	方向	描述
clk	1	Input	时钟信号
ram_wen	1	Input	RAM的写使能信号：为1表示写入操作，为0表示读取操作
ram_addr	16	Input	RAM的地址信号，读和写的地址都由该信号指示
ram_wdata	32	Input	RAM写入的数据
ram_rdata	32	Output	RAM读出的数据

注意：包封后的RAM接口没有片选信号，即片选使能始终有效（其内部实例化的具体RAM的片选使能信号恒为1）。

建立同步RAM工程的参考步骤如下：

使用Vivado新建一个工程。
点击“Add Sources”，选择添加设计源码（design sources），加入block_ram_top.v。
点击“Add Sources”，选择添加约束文件（constraints），加入ram.xdc。
点击“Add Sources”，选择添加仿真源码（simulation sources），加入ram_tb.v。
参考第??节，调用Xilinx库IP生成同步RAM（Block RAM，深度为65536，宽度为32，片选使能信号设为一直有效）。

建立异步RAM工程的参考步骤如下：

使用Vivado新建一个工程。
点击“Add Sources”，选择添加设计源码（design sources），加入distributed_ram_top.v。
点击“Add Sources”，选择添加约束文件（constraints），加入ram.xdc。
点击“Add Sources”，选择添加仿真源码（simulation sources），加入ram_tb.v。
参考附录D第D.1节，调用Xilinx库IP生成异步RAM（Distributed RAM，深度为65536，宽度为32）。

在完成工程的创建后，对它们进行仿真，对比读写行为的异同。在完成工程的仿真后，对它们进行综合和实现，参考附录D第D.1节介绍的方法查看时序结果和资源利用率，并结合读写时序进行分析。

在实践过程中，应特别注意以下几点：

生成IP时，请将对应IP命名为block_ram和distributed_ram，如命名错误，IP将会报错。若遇到已生成IP无法改名的情况，可以删除该IP，重新生成。
生成IP时，可以点击窗口左侧的图查看接口信息。当参数正确时，端口名和宽度应与指定的顶层文件中的调用相对应。
有兴趣的读者可以自行调研、参考同步/异步RAM定制的资料，并根据仿真波形对比参数的作用。
对程序进行综合之前请确保已正确加载约束文件（ram.xdc）。
添加testbench时请注意选择add simulation source，否则会导致顶层文件错误，综合结果不正确。
对程序进行综合时，所用的计算机不同，综合时间会有一定的差异，有可能会耗费大量时间，所以应提前计划，安排好时间。
时序报告和资源报告的生成需要查看综合、实现完成后的结果。

3.1.3 实践任务4：数字逻辑电路的设计与调试

本实践任务要求：

调试并修正一个给定数字逻辑电路设计中的功能错误。
上板后可以实现正确的功能。

请参照第2.3.1节中介绍的方式获取本次实践任务所需的实验开发环境。具体的实验环境位于 dc_env/exp4/ 目录下，其目录结构如下：

|--show_sw.v             数字电路设计的源码文件。
|--show_sw.xdc           数字电路设计的约束文件，用于综合和实现。
|--tb.v                  数字电路设计的仿真文件，用于仿真。

show_sw.v中的设计共有5个功能错误。该设计的正确功能是：

获取开发板最右侧4个拨码开关的状态（记为“拨上为1，拨下为0”，实际开发板上拨码开关的电平是“拨上为低电平，拨下为高电平”），共有16个状态（数字编号是0~15）。
最左侧数码管实时显示4个拨码开关的状态。数码管只支持显示0~9，如果拨码开关状态是10~15，则数码管的显示状态不更改（显示上一次的显示值）。
最右侧的4个单色LED灯会显示上一次的拨码开关的状态，支持显示0~15（拨码开关拨上，对应LED灯亮）。

比如，初始状态下，4个拨码开关拨下，按复位键，则数码管显示0，LED灯都不亮；拨码开关拨为1，则数码管显示1，LED灯还是都不亮；拨码开关再拨为3，则数码管显示3，LED灯显示1。

提供的设计源码中包含5个bug，其中4个是第??节中提到的波形异常的前4种情况：波形为“Z”、波形为“X”、波形停止和越沿采样，另外的1个bug是功能bug。

本任务提供的示例设计的顶层接口如表3.3所示。

表 3.3: RAM包封后顶层接口信号列表
名称	宽度	方向	描述
clk	1	input	时钟信号
resetn	1	input	复位信号
switch	4	input	对应开发板上最右侧4个拨码开关
num_csn	8	output	数码管的片选信号
num_a_g	7	output	数码管的7段信号
led	4	output	对应开发板上最右侧4个单色LED灯

请参考下列步骤完成本实践任务：

学习本章第??节和附录D第D.1节的内容。
使用Vivado新建一个工程。
点击“Add Sources”，选择添加设计源码（design sources），加入show_sw.v。
点击“Add Sources”，选择添加约束文件（constraints），加入show_sw.xdc。
点击“Add Sources”，选择添加仿真源码（simulation sources），加入tb.v。
理解示例设计的功能，分析仿真顶层tb.v，并理解仿真的行为。注意，开发板上拨码开关的电平是“拨上为低电平，拨下为高电平”，单色LED灯的电平行为是“高电平不亮，低电平亮”。仿真顶层tb.v也是按此电平设计的。
进行仿真，并充分利用仿真的辅助小技巧（分割、分组、颜色变化、标志等）进行调试，找出所有的bug。
仿真完成后，进行综合、实现并生成比特流文件。
生成比特流文件后，连接开发板，进行上板验证。（如果没有本地或远程FPGA实验平台或者不进行上板实验，可以跳过此步骤。）

第 3 章 数字逻辑电路设计基础

3.1 任务与实践

3.1.1 实践任务2：寄存器堆仿真

3.1.2 实践任务3：同步RAM和异步RAM仿真、综合与实现

3.1.3 实践任务4：数字逻辑电路的设计与调试

第 3 章数字逻辑电路设计基础