Kts cac bt giai san ve vhdl 2011

ĐHBK Tp HCM–Khoa ĐĐT–BMĐT
Môn học: Kỹ thuật số
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Bài tập giải sẵn về VHDL (AY1112-S1)
(Các mã VHDL đã được chạy thử trên Altera MaxplusII v10.2)

1. Viết mã VHDL để đếm số bit 1 của số nhị phân 3 bit A với các cách sau:
a) Dùng mô hình hành vi
b) Dùng mô hình luồng dữ liệu
c) Lệnh case-when
d) Dùng mô hình cấu trúc
Bài giải.
Với yêu cầu của đề bài, ta có được bảng chân trị sau:
Ngõ vào Ngõ ra
A2 A1 A0 C1 C0
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 1 0
1 1 0 1 0
1 1 1 1 1

Phần đầu dùng thư viện IEEE và khai báo entity thì giống nhau cho các cách:
TD: Với khai báo của cách 1:

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity ONES_CNT_EX1 is

port ( A : in std_logic_vector(2 downto 0);
C : out std_logic_vector(1 downto 0));
end ONES_CNT_EX1;

a) Mô hình hành vi:
architecture Algorithmic of ONES_CNT_EX1 is
begin
Process(A) -- Sensitivity List Contains only Vector A
Variable num: INTEGER range 0 to 3;
begin
num :=0;
For i in 0 to 2

Các BT giải sẵn về VHDL 2011 – trang 1

Loop
IF A(i) = '1' then
num := num+1;
end if;
end Loop;
--
-- Transfer "num" Variable Value to a SIGNAL
--
CASE num is
WHEN 0 => C <= "00";
WHEN 1 => C <= "01";
WHEN 2 => C <= "10";
WHEN 3 => C <= "11";
end CASE;
end process;
end Algorithmic;

Dạng sóng mô phỏng hoạt động:

Chú ý:
Có cách giải khác trong thí dụ của MaxplusII:
-- MAX+plus II VHDL Example
-- Combinatorial Process Statement
-- Copyright (c) 1994 Altera Corporation

ENTITY proc IS
PORT
(
d : IN BIT_VECTOR (2 DOWNTO 0);
q : OUT INTEGER RANGE 0 TO 3
);
END proc;

ARCHITECTURE maxpld OF proc IS
BEGIN
-- count the number of bits with the value 1 in word d
PROCESS (d)
VARIABLE num_bits : INTEGER;
BEGIN


num_bits := 0;

FOR i IN d'RANGE LOOP
IF d(i) = '1' THEN
num_bits := num_bits + 1;
END IF;
END LOOP;

q <= num_bits;
END PROCESS;

END maxpld;

b) Mô hình luồng dữ liệu
architecture Two_Level of ONES_CNT_EX2 is
begin

C(1) <= (A(1) and A(0)) or (A(2) and A(0))
or (A(2) and A(1));
C(0) <= (A(2) and not A(1) and not A(0))
or (not A(2) and not A(1) and A(0))
or (A(2) and A(1) and A(0))
or (not A(2) and A(1) and not A(0));
end Two_Level;

Dạng sóng mô phỏng hoạt động:

c) Lệnh case-when
Process(A) -- Sensitivity List Contains only Vector A
begin
CASE A is
WHEN "000" => C <= "00";
WHEN "001" => C <= "01";
WHEN "010" => C <= "01";
WHEN "011" => C <= "10";
WHEN "100" => C <= "01";
WHEN "101" => C <= "10";
WHEN "110" => C <= "10";


WHEN "111" => C <= "11";
WHEN OTHERS => C <="ZZ";
end CASE;
end process;
end Truth_Table;

d) Dùng mô hình cấu trúc
Có nhiều cách giải cho phần này.
Từ bảng chân trị ta có biểu thức Boole cho các ngõ ra:
C1 = A1A0 + A0A2 + A1A2 + A0A1A2
C1 = A1A0 + A0A2 + A1A2 => cần AND 2 ngõ vào và OR 3 ngõ vào
và
C0 = A2’A1’A0 + A2’A1A0’ + A2A1’A0’ + A2A1A0
C0 = ((A2’A1’A0)’.( A2’A1A0’)’ .(A2A1’A0’)’.(A2A1A0)’)’
=> Cần NAND 3 ngõ vào, NAND 4 ngõ vào và cổng NOT
Mạch cho C1 được đặt tên là MAJ3 và mạch cho C0 được đặt tên là OPAR3.
Từ đó có bài giải sau:
----------------- NOT gate -----------------------
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY notgate IS PORT(
i: IN STD_LOGIC;
o: OUT STD_LOGIC);
END notgate;
ARCHITECTURE Dataflow OF notgate IS
BEGIN
o <= NOT i;
END Dataflow;
----------------- 3-input NAND gate ---------------
LIBRARY IEEE;
ENTITY nand3gate IS
PORT(
i1, i2, i3: IN STD_LOGIC;
o: OUT STD_LOGIC);
END nand3gate;
ARCHITECTURE Dataflow OF nand3gate IS
BEGIN
o <= NOT(i1 AND i2 AND i3);
END Dataflow;

----------------- 4-input NAND gate ---------------
LIBRARY IEEE;
ENTITY nand4gate IS


PORT(
i1, i2, i3, i4: IN STD_LOGIC;
o: OUT STD_LOGIC);
END nand4gate;
ARCHITECTURE Dataflow OF nand4gate IS
BEGIN
o <= NOT(i1 AND i2 AND i3 AND i4);
END Dataflow;

----------------- 2-input AND gate ---------------
LIBRARY IEEE;
ENTITY and2gate IS
PORT(
i1, i2: IN STD_LOGIC;
o: OUT STD_LOGIC);
END and2gate;
ARCHITECTURE Dataflow OF and2gate IS
BEGIN
o <= i1 AND i2;
END Dataflow;
----------------- 3-input OR gate ----------------
LIBRARY IEEE;
ENTITY or3gate IS
PORT(
i1, i2, i3: IN STD_LOGIC;
o: OUT STD_LOGIC);
END or3gate;
ARCHITECTURE Dataflow OF or3gate IS
BEGIN
o <= i1 OR i2 OR i3;
END Dataflow;

----------------- Majority of 3 bit number----------------
LIBRARY IEEE;
entity MAJ3 is
PORT( X: in STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
Z: out STD_LOGIC);
end MAJ3;
architecture Structural_M of MAJ3 is
COMPONENT and2gate
PORT( I1, I2: in STD_LOGIC; -- Declare Components
O: out STD_LOGIC); -- To Be Instantiated


END COMPONENT;
COMPONENT or3gate
PORT(I1, I2, I3: in STD_LOGIC;
O: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
--
SIGNAL A1, A2, A3: STD_LOGIC; -- Declare Maj3 Local Signals
begin
-- Instantiate Gates
g1: and2gate PORT MAP (X(0), X(1), A1);
g2: and2gate PORT MAP (X(0), X(2), A2); -- Wiring of
g3: and2gate PORT MAP (X(1), X(2), A3); -- Maj3
g4: or3gate PORT MAP (A1, A2, A3, Z); -- Compts.
end Structural_M;
------------------OPAR3 Circuit------------------------------
LIBRARY IEEE;
entity OPAR3 is
Z: out STD_LOGIC);
end OPAR3;
architecture Structural_O of OPAR3 is
COMPONENT notgate
PORT( i: in STD_LOGIC;
O: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
COMPONENT nand3gate
PORT( I1, I2, I3: in STD_LOGIC;
O: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
COMPONENT nand4gate
PORT( I1, I2, I3, I4: in STD_LOGIC;
O: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
--
SIGNAL A1B, A2B, A0B, Z1, Z2, Z3, Z4: STD_LOGIC;
begin
g1: notgate PORT MAP (X(0), A0B);
g4: nand3gate PORT MAP (X(2), A1B, A0B, Z1);
g6: nand3gate PORT MAP (X(0), X(1), X(2), Z3);


g8: nand4gate PORT MAP (Z1, Z2, Z3, Z4, Z);
end Structural_O;

-----------------ONES_CNT_EX4: Main Circuit------------
LIBRARY IEEE;

entity ONES_CNT_EX4 is
port ( A : in STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
C : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
end ONES_CNT_EX4;
architecture Structural of ONES_CNT_EX4 is
COMPONENT MAJ3
Z: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
COMPONENT OPAR3
Z: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
--
begin
-- Instantiate Components
--
c1: MAJ3 PORT MAP (A, C(1));
c2: OPAR3 PORT MAP (A, C(0));
end Structural;

Dạng sóng ra mô phỏng:

Chú ý:
Ta có thể sử dụng luôn các component có sẵn của Altera MaxplusII. Tuy nhiên lưu ý phải khai
báo component đúng với khai báo của Altera MaxplusII!
Các cổng logic của Maxplus II có các khai báo sau:
1) Cổng NOT với tên là A_NOT có khai báo sau:
COMPONENT a_not
PORT( a_in: in STD_LOGIC;
a_out: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;

2) Cổng AND có thể có n ngõ vào (ANDn) với n=2, 3, 4, 6, 8 và 12.
TD: Khai báo sau cho cổng AND có 2 ngõ vào:
COMPONENT and2
PORT( IN1, IN2: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
3) Cổng OR có thể có n ngõ vào (ORn) với n=2, 3, 4, 6, 8 và 12.
TD: Khai báo sau cho cổng OR có 2 ngõ vào:
COMPONENT or3
PORT(IN1, IN2, IN3: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
4) Cổng NAND có thể có n ngõ vào (NANDn) với n=2, 3, 4, 6, 8 và 12.
5) Cổng NOR có thể có n ngõ vào (NANDn) với n=2, 3, 4, 6, 8 và 12.
6) Cổng XOR 2 ngõ vào có tên là a_XOR với khai báo sau:
COMPONENT a_xor
PORT(IN1, IN2: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
7) Cổng XNOR 2 ngõ vào có tên là a_XNOR
Như vậy ta có lời giải khác ngắn hơn nếu sử dụng các component có sẵn của Maxplus II:
----- Use built-in components of MaxplusII
----------------- Majority of 3 bit number----------------
LIBRARY IEEE;
entity MAJ3 is
Z: out STD_LOGIC);
end MAJ3;
architecture Structural_M of MAJ3 is
COMPONENT and2
PORT( IN1, IN2: in STD_LOGIC; -- Declare Components
a_out: out STD_LOGIC); -- To Be Instantiated
END COMPONENT;
COMPONENT or3
PORT(IN1, IN2, IN3: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
--
SIGNAL A1,A2,A3: STD_LOGIC; -- Declare Maj3 Local Signals
begin
g1: and2 PORT MAP (X(0), X(1), A1);
g2: and2 PORT MAP (X(0), X(2), A2); -- Wiring of
g3: and2 PORT MAP (X(1), X(2), A3); -- Maj3


g4: or3 PORT MAP (A1, A2, A3, Z); -- Compts.
end Structural_M;
------------------OPAR3 Circuit---------------------------
LIBRARY IEEE;
entity OPAR3 is
Z: out STD_LOGIC);
end OPAR3;
architecture Structural_O of OPAR3 is
COMPONENT a_not
PORT( a_in: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
COMPONENT nand3
PORT( IN1, IN2, IN3: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
COMPONENT nand4
PORT( IN1, IN2, IN3, IN4: in STD_LOGIC;
END COMPONENT;
--
SIGNAL A1B, A2B, A0B, Z1, Z2, Z3, Z4: STD_LOGIC;
begin
g1: a_not PORT MAP (X(0), A0B);
g4: nand3 PORT MAP (X(2), A1B, A0B, Z1);
g6: nand3 PORT MAP (X(0), X(1), X(2), Z3);
g8: nand4 PORT MAP (Z1, Z2, Z3, Z4, Z);
end Structural_O;

-----------------ONES_CNT_EX4: Main Circuit------------
LIBRARY IEEE;

entity ONES_CNT_EX4B is
port ( A : in STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
C : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
end ONES_CNT_EX4B;
architecture Structural of ONES_CNT_EX4B is


COMPONENT MAJ3
Z: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
COMPONENT OPAR3
Z: out STD_LOGIC);
END COMPONENT;
--
begin
-- Instantiate Components
c1: MAJ3 PORT MAP (A, C(1));
c2: OPAR3 PORT MAP (A, C(0));
end Structural;

2. Với mạch tổ hợp sau:

Hãy viết mã VHDL với các cách sau (không thiết kế riêng mạch giải mã, mà chỉ cài đặt hàm
F):
1) Lệnh đồng thời với phép gán dùng các toán tử logic
2) Lệnh đồng thời WHEN-ELSE
3) Lệnh đồng thời WITH-SELECT-WHEN
4) Lệnh tuần tự IF-THEN-ELSE
5) Lệnh tuần tự CASE-WHEN
Bài giải.
1) Lệnh đồng thời với phép gán dùng các toán tử logic
--- signal assignment with logic operators
library ieee;
entity Q02_1 is
port ( A, B, C: in std_logic; -- C: LSB
F: out std_logic);
end Q02_1;
architecture a of Q02_1 is
signal D1, D5, D7: std_logic;
begin
D1 <= not(A) and not(B) and C;


D5 <= A and not(B) and C;
D7 <= A and B and C;
F <= D1 or D5 or D7;
end a;

2) Lệnh đồng thời WHEN-ELSE
--- signal assignment with WHEN-ELSE
library ieee;
entity Q02_2 is
port( A, B, C: in std_logic; -- C: LSB
F: out std_logic);
end Q02_2;
signal ABC: std_logic_vector(2 downto 0);
begin
ABC <= A&B&C;
F <= '1' when ABC="001" or ABC="101" or ABC ="111"
else '0';
end a;

3) Lệnh đồng thời WITH-SELECT-WHEN
--- signal assignment with WITH-SELECT-WHEN
library ieee;
entity Q02_3 is
F: out std_logic);
end Q02_3;
begin
ABC <= A&B&C;
with ABC select
F <= '1' when "001" | "101" | "111",
'0' when others;
end a;


4) Lệnh tuần tự IF-THEN-ELSE
--- signal assignment with IF-THEN-ELSE
library ieee;
entity Q02_4 is
F: out std_logic);
end Q02_4;
begin
ABC <= A&B&C;
process(ABC)
begin
if (ABC= "001" or ABC = "101" or ABC ="111")
then
F <= '1';
else
F <= '0';
end if;
end process;
end a;

5) Lệnh tuần tự CASE-WHEN
--- signal assignment with CASE-WHEN
library ieee;
entity Q02_5 is
F: out std_logic);
end Q02_5;
begin
ABC <= A&B&C;
process(ABC)
begin
case (ABC) is
when "001" | "101" | "111" => F <= '1';
when others => F <= '0';
end case;
end process;
end a;


3. Hãy vẽ mạch logic tương ứng (không đơn giản hóa hàm Boole và có thể sử dụng các thành
phần tổ hợp cơ bản như cổng logic, mux, decoder, FA, HA, …) của mã VHDL sau:
library ieee;
entity blackbox is port(
a, b, cin: in std_logic;
inst: in std_logic_vector(2 downto 0);
F, cout: out std_logic);
end blackbox;

architecture bg of blackbox is
signal s0, s1, s2, s3, s4 : std_logic;
--signal command : std_logic_vector(1 downto 0);
begin
s0 <= a and s4;
s1 <= a or s4;
s2 <= a xor s4;
s3 <= a xor s4 xor cin;
cout <= (a and s4) or ( s4 and cin) or (a and cin);
U1: process(inst)
begin
case(inst(2 downto 1)) is
when "00" => F <= s0;
when "01" => F <= s1;
when "10" => F <= s2;
when others => F <= s3;
end case;
end process;
U2: process(inst)
begin
if (inst(0) = '0') then
s4 <= b;
else
s4 <= not b;
end if;
end process;
end bg;
Bài giải.
Ta thấy 2 phép gán sau :
s3 <= a xor s4 xor cin;
cout <= (a and s4) or ( s4 and cin) or (a and cin);
nhằm thực hiện mạch FA, do đó có thể dùng khối này trong mạch logic.
Process U1 chính là MUX 4 sang 1 với ngõ chọn là inst(2:1).
Process U2 chính là MUX 2 sang 1 với ngõ chọn là inst(0).
Từ đó ta có mạch logic của mã VHDL trên là: (ALU 1 bit)


library ieee;
entity CIRCUIT is
port(A, B, C: in std_logic; S:in std_logic_vector (1 downto 0);
Z: out std_logic);
end CIRCUIT;
architecture a of CIRCUIT is
begin
process(A, B, C, S)
begin
if (S(0)= ‘1’) then
Z <= A;
elsif (S(1) = ‘1’) then
Z <= B;
else
Z <= C;
end if;
end process;
end a;


Bài giải.
Từ mã VHDL ta có thể viết trực tiếp các biểu thức Boole cho các biến ra với loại lệnh IF :
Lệnh Biểu thức Boole tương đương
if (cond1) then F = C1.X + C1’(C2.Y + C2’.Z)
F <= X ; F = C1.X + C1’C2.Y + C1’ C2’.Z
elsif (cond2) then
F <= Y ; Với C1 = cond1 và C2 = cond2
else
F <= Z ;
end if ;
Áp dụng qui tắc này ta tìm được biểu thức Boole cho Z:
Z = S(0).A + S(0)’(S(1).B + S(1)’.C)
Nhớ lại với MUX 2 sang 1có ngõ ra Y và các ngõ vào I0, I1 và S thì ngõ ra là:
Y = S’.I0 + S.I1
Như vậy ta phải dùng 2 mạch MUX 2 sang 1 để thực hiện mạch trên:

entity CIRCUIT is
port (A, B, S1, S2, S3, CLK: in std_logic;
Y: out std_logic);
end CIRCUIT;
architecture a of CIRCUIT is
begin
process(CLK)
begin
if (CLK'event and CLK='1') then
if (A='1') then
Y <= S3;
elsif (B = '0') then
Y <= S2;
else
Y <= S1;
end if;
end if;
end process;
end a;


Bài giải.
NX : Ngõ ra chỉ được cập nhật khi có cạnh lên tại CLK  Đây là D F/F kích cạnh lên với ngõ
vào là mạch tổ hợp như câu trên.

6. Ta cần thiết kế 1 mạch tổ hợp mà xuất phát từ thiết kế số thông thường, mạch này được
ghép từ
 mạch mã hóa ưu tiên từ 10 ngõ vào (in_n) sang 4 (BCD): ngõ vào tích cực thấp và ưu
tiên bit có trọng số thấp nhất, ngõ ra là số BCD 4 bit chỉ ngõ vào nào được tích cực thấp.
o TD: Ngõ vào in_n = 11111100 thì ngõ ra là BCD = 0000
 Mạch giải mã BCD ra 7 đoạn nối với LED (giả sử logic 1 làm cho đoạn LED sáng) :
mạch này nhận giá trị ra từ mạch trên và chuyển sang mã 7 đoạn hiện trên LED 7 đoạn.
a) Hãy viết mã VHDL với 2 mạch này độc lập.
b) Hãy viết mã VHDL chỉ có 1 mạch duy nhất.
Bài giải.
Ta có thể dùng when-else hay with-select-when để mô tả các mạch này.
a) Mã VHDL với 2 mạch độc lập
library ieee;
entity Q06_1 is port(
in_n: in std_logic_vector(9 downto 0);
-- in_n : low active and higher priority LSB
LED_7seg: out std_logic_vector(6 downto 0));
-- LED_7seg(0) = segment a
end Q06_1;
architecture bg of Q06_1 is
signal s_BCD : std_logic_vector (3 downto 0);
begin
-- Priority Encoder
s_BCD <= "0000" when (in_n(0) = '0') else
"0001" when in_n(1) = '0' else
"0010" when in_n(2) = '0' else
"0011" when in_n(3) = '0' else
"0100" when in_n(4) = '0' else
"0101" when in_n(5) = '0' else
"0110" when in_n(6) = '0' else
"0111" when in_n(7) = '0' else
"1000" when in_n(8) = '0' else
"1001" when in_n(9) = '0' else
"1111"; -- invalid BCD


-- BCD to 7 segment Decoder: LED_7seg = gfedcba
LED_7seg <= "0111111" when s_BCD = "0000" else
"0000110" when s_BCD = "0001" else
"1011011" when s_BCD = "0010" else
"1001111" when s_BCD = "0011" else
"1100110" when s_BCD = "0100" else
"1101101" when s_BCD = "0101" else
"1111101" when s_BCD = "0110" else
"0000111" when s_BCD = "0111" else
"0000000" when s_BCD = "1000" else
"1101111" when s_BCD = "1001" else
(others => '0');
end bg;
Dạng sóng mô phỏng :

b) Mã VHDL với 1 mạch duy nhất
library ieee;
entity Q06_2 is port(
in_n: in std_logic_vector(9 downto 0);
LED_7seg: out std_logic_vector(6 downto 0));
end Q06_2;
begin
LED_7seg <= "0111111" when in_n(0) = '0' else
"0000110" when in_n(1) = '0' else
"1011011" when in_n(2) = '0' else
"1001111" when in_n(3) = '0' else
"1100110" when in_n(4) = '0' else
"1101101" when in_n(5) = '0' else
"1111101" when in_n(6) = '0' else

"0000111" when in_n(7) = '0' else
"0000000" when in_n(8) = '0' else
"1101111" when in_n(9) = '0' else
(others => '0');
end bg;

7. Thiết kế JK flipfop như hình bên dưới (các ngõ Preset PR và Clear CLR
tích cực cao và bất đồng bộ, CLR có ưu tiên cao hơn PR)
a) Dùng phương trình đặc tính của JK FF.
b) Dùng bảng hoạt động của JK FF.
c) Nếu muốn Preset PR đồng bộ thì phải sửa lại như thế nào?
Bài giải.
a) Dùng phương trình đặc tính của JK FF:
library ieee;
entity JK_FF is port(
J, K, CLK, PR, CLR: in std_logic;
-- PR, CLR: Asynchronous Preset and Clear
Q, Q_n: out std_logic);
end JK_FF;
architecture bg of JK_FF is
signal Q_int: std_logic;
begin
process(CLK, PR, CLR)
begin
if (CLR = '1') then
Q_int <= '0';
elsif (PR = '1') then
Q_int <= '1';
elsif rising_edge(CLK) then
Q_int <= (J and not Q_int) or (not K and Q_int);
end if;
end process;
Q <= Q_int;
Q_n <= not Q_int;
end bg;
Dạng sóng mô phỏng:


b) Dùng bảng hoạt động của JK FF:

library ieee;
entity JK_FF is port(
J, K, CLK, PR, CLR: in std_logic;
Q, Q_n: out std_logic);
end JK_FF;
signal Q_int: std_logic;
signal JK: std_logic_vector(1 downto 0);
begin
JK <= J & K;
process(CLK, PR, CLR)
begin
if (CLR = '1') then
Q_int <= '0';
elsif (PR = '1') then
Q_int <= '1';
case JK is
when "01" => Q_int <= '0'; -- Reset
when "10" => Q_int <= '1'; -- Set
when "11" => Q_int <= not Q_int;-- Toggle
when others => null;
end case;
end if;
end process;
Q <= Q_int;
Q_n <= not Q_int;
end bg;

c) Ta chỉ cần viết lại như sau :

if (CLR = '1') then
Q_int <= '0';

if (PR = '1') then
Q_int <= '1';
else
--Phần mã gán Q_int
end if ;
end if ;



8. Thiết kế mạch cộng song song 2 số nhị phân N bit (dùng phát biểu generic để thiết kế tổng
quát, mặc nhiên N =4) là A và B. Tổng là Sum và số nhớ/mượn là C_out.
a) Mô tả VHDL cho mạch này.
b) Thêm vào tín hiệu điều khiển cho phép cộng/trừ với tên là Add_Sub (0: cộng và 1:trừ)
thì phải chỉnh sửa như thế nào?
Bài giải.
a) Khi sử dụng toán tử cộng/trừ thì ta phải dùng gói ieee.std_logic_unsigned.all :
-- Parallel Adder
library ieee;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity Q08_1 is
generic (N: integer := 4);
port(
A, B: in std_logic_vector(N-1 downto 0);
C_out: out std_logic;
Sum: out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Q08_1;
signal Sum_int: std_logic_vector(Num downto 0);
begin
Sum_int <= ('0' & A) + ('0' & B);
Sum <= Sum_int(N-1 downto 0);
C_out <= Sum_int(N);
end bg;

b) Thêm tín hiệu điều khiển Add_Sub:
Ta chỉ cần định nghĩa thêm Add_sub và viết lại lệnh gán của Sum_int :
Sum_int <= ('0' & A) + ('0' & B) when Add_sub = '0' else
('0' & A) - ('0' & B);


9. Thiết kế mạch cộng nối tiếp 2 số nhị phân với A và B có chiều dài là Num_bits bit (mặc
nhiên cho Num_bits = 4).
 Dữ liệu vào được nhập nối tiếp với LSB đi trước.
 Kết quả là tổng Sum có chiều dài Num_bits bit và có số nhớ ra là C_out.
 Tín hiệu Start =1 để chỉ bắt đầu thực hiện cộng (chỉ tồn tại < 1 chu kỳ xung nhịp).
 Có tín hiệu Finished báo đã hoàn tất phép cộng.
 Mạch hoạt động theo cạnh xuống xung nhịp CLK.
Hãy viết mã VHDL cho mạch này.
Bài giải.
library ieee;
entity Q09_1 is
generic (Num_bits: integer := 4);
port(
A, B, Start, CLK: in std_logic;
C_out, Finished: out std_logic;
Sum: out std_logic_vector(Num_bits-1 downto 0));
end Q09_1;
begin
process(CLK, Start)
variable FIN: std_logic; -- Internal Finish signal
variable N: integer range 0 to Num_bits;
variable S, C_in: std_logic;
variable Sum_int: std_logic_vector(Num_bits-1 downto 0);
begin
if (Start = '1') then
FIN := '0';
N := Num_bits;
C_in := '0';
Finished <= '0';
elsif (CLK'event and CLK = '0') then -- and FIN = '0')
if (FIN = '0') then
S := A xor B xor C_in;
C_in := (A and B) or ( B and C_in) or ( A and C_in);
Sum_int:= S & Sum_int(Num_bits-1 downto 1);
N := N - 1;


if N = 0 then
FIN := '1';
Finished <= '1';
Sum <= Sum_int;
C_out <= C_in;
end if;
end if;
end if;
end process;
end bg;
Với A = 0110 và B = 1011 => A + B = 10001 => C_out = 1 và Sum = 0001

Chú ý :
Có 1 cách giải khác là tận dụng toán tử + (trong ieee.std_logic_unsigned.all) để tìm C và S :
library ieee;
. . .
-- Thay dòng: variable S, C_in: std_logic; bằng dòng sau:
variable CS: std_logic_vector(1 downto 0); -- Carry và Sum
. . .
-- Mã mới phần tính full adder như sau:
if (FIN = '0') then
CS := ('0' & CS(1)) + ('0' & A) + ('0' & B) ;
Sum_int := CS(0) & Sum_int(Num_bits-1 downto 1);
N := N - 1;
if N = 0 then
FIN := '1';
Finished <= '1';
Sum <= Sum_int;
C_out <= CS(1);
end if;
end if;

10. Cho trước hệ tuần tự đồng bộ sau:

a) Lập bảng chuyển trạng thái của mạch trên.
b) Viết mã VHDL cho câu a) có thêm tín hiệu reset_n tích cực thấp để cho chạy từ trạng
thái Q1Q2=00.
Bài giải.
a) Từ sơ đồ mạch ta có thể tìm được các phương trình đặc tính cho các FF và ngõ ra Z :
D1 = Q1+ = Q1’ + Q2 ; D2 = Q2+ = XQ2’ ; Z = Q1 + Q2’
Suy ra bảng chuyển trạng thái sau:
PS NS (Q1+Q2+)
Z
Q1Q2 X=0 X =1
00 10 01 1
01 10 10 0
11 00 10 1
10 00 01 1
b) Mã VHDL cho câu a):
library ieee;
entity Q10_1 is
port( X, CLK, reset_n: in std_logic;
Z: out std_logic);
end Q10_1;
signal state: std_logic_vector( 1 downto 0);
signal state_X: std_logic_vector( 2 downto 0);
begin
state_X <= state & X;
Z <= '0' when state = "01" else '1';
process(CLK, reset_n)
begin
if (reset_n = '0') then
state <= "00";
case state_X is
when "000" => state <= "10";
when "001" => state <= "01";


when "010" | "011" => state <= "10";
when "110" => state <= "00";
when "111" => state <= "10";
when "100" => state <= "00";
when "101" => state <= "01";
end case;
end if;
end process;
end bg;


Chú ý:
Có nhiều cách viết khác để mô tả FSM, thí dụ sau đây là 1 cách viết khác:
library ieee;
entity Q10_2 is
port(
X, CLK, reset_n: in std_logic;
Z: out std_logic);
end Q10_2;
signal Present_state: std_logic_vector( 1 downto 0); --
PS
signal Next_state: std_logic_vector( 1 downto 0); --
NS
begin
Z <= '0' when Present_state = "01" else '1';
State_transition:
begin
Present_state <= "00";
Present_state <= Next_state ;
end if;
end process;

Find_Next_state:
process(Present_state)
begin
case Present_state is
when "00" => if X = '0' then
Next_state <= "10";
else
Next_state <= "01";
end if;
when "01" => Next_state <= "10";
when "11" => if X = '0' then
Next_state <= "00";
else
Next_state <= "10";
end if;
when "10" => if X = '0' then
Next_state <= "00";
else
Next_state <= "01";
end if;
end case;
end process;
end bg;


11. Thiết kế mạch phát hiện chuỗi bit vào nối tiếp có trị là "101". Viết mã VHDL với:
a) Dùng FSM loại Mealy với mô tả FSM.
b) FSM loại Mealy dùng thanh ghi dịch chứa 3 bit liên tiếp và so sánh với "101".
Bài giải.
a) FSM loại Mealy
Ta có được giản đồ trạng thái và bảng chuyển trạng thái như sau (kết quả lấy từ bài
giảng thiết kế hệ tuần tự đồng bộ)


Ta định nghĩa thêm kiểu mới cho các trạng thái  không cần gán trạng thái mà CAD sẽ
tự gán trị cho nó.
library ieee;
entity Q11_1 is
Z: out std_logic);
end Q11_1;
type state_type is (S0, S1, S2);
signal state: state_type;
begin
Z <= '1' when (state = S2 and X = '1') else '0';
begin
state <= S0;
case state is
when S0 => if X = '1' then state <= S1; end if;
when S1 => if X = '0' then state <= S2; end if;
when S2 => if X = '0' then state <= S0;
else state <= S1; end if;
end case;
end if;
end process;
end bg;


b) Thanh ghi dịch
library ieee;
entity Q11_2 is
Z: out std_logic);
end Q11_2;
signal pattern: std_logic_vector(2 downto 0);
begin
Z <= '1' when (pattern = "101" and X = ‘1’) else '0';
begin
pattern <= (others => '0') ;
pattern <= pattern(1 downto 0) & X;
end if;
end process;
end bg;

12. Thiết kế mạch giải mã 3 sang 8 và mạch mã hóa ưu tiên 8 sang 3 (ưu tiên ngõ vào có trọng
số thấp nhất khi có nhiều bit vào là 1).
 Mạch giải mã có các ngõ vào là C, B, và A (LSB) và ra là Y.
 Mạch mã hóa có ngõ vào 8 bit D_in và ngõ ra 3 bit D_out.
Bài giải.
library ieee;
use ieee.std_logic_arith.all;
-- Dung cho ham conv_std_logic_vector(integer, number of bits)
-- Dung cho ham conv_integer(std_logic_vector)
entity Q12_1 is
port( C, B, A: in std_logic; -- A: LSB
Y: out std_logic_vector(0 to 7);
D_in: in std_logic_vector(0 to 7);
D_out: out std_logic_vector(0 to 2));
end Q12_1;


signal CBA: std_logic_vector(0 to 2);
signal CBA_int: integer range 0 to 7;
begin
-- Decoder 3 to 8
CBA <= C & B & A;
CBA_int <= conv_integer(CBA);
process (CBA_int)
variable Y_int: std_logic_vector(0 to 7);
begin
Y_int := (others => '0');
Y_int(CBA_int) := '1';
Y <= Y_int;
end process;
--
-- Priority Encoder 8 to 3
process(D_in)
variable index_in: integer;
begin
for i in D_in'length -1 downto 0 loop
if D_in(i) = '1' then
index_in := i;
end if;
end loop;
D_out <= conv_std_logic_vector(index_in,3);
end process;
end bg;

Dạng sóng mô phỏng của mạch giải mã:

Dạng sóng mô phỏng của mạch mã hóa:


13. Thiết kế bộ đếm lên 3 bit loại nối tiếp (còn gọi là bộ đếm gợn hay bất đồng bộ) với xung
nhịp vào CLK (kích cạnh). Mạch có ngõ reset tích cực thấp reset_n. Hãy viết mã VHDL
với
a) Mô hình cấu trúc với component DFF có sẵn.
b) Các lệnh tuần tự.
Bài giải.
a) Dùng component DFF có sẵn của Maxplus II
library ieee;
entity Q13_1 is
port( CLK, reset_n: in std_logic;
Q2, Q1, Q0: out std_logic); -- Q0: LSB
end Q13_1;

COMPONENT DFF
PORT (d : IN STD_LOGIC;
clk : IN STD_LOGIC;
clrn: IN STD_LOGIC;
prn : IN STD_LOGIC;
q : OUT STD_LOGIC );
END COMPONENT;

-- Inputs | Output
--prn clrn CLK D | Q
-- L H X X | H
-- H L X X | L
-- L L X X | Illegal
-- H H  L | L
-- H H  H | H
-- H H L X | Qo*
-- H H H X | Qo
-- * Qo = level of Q before Clock pulse
-- All flipflops are positive-edge-triggered.
signal D0, D1, D2, prn: std_logic;
signal Q2_int, Q1_int, Q0_int: std_logic;
begin
U1: DFF port map(D0, CLK, reset_n, prn, Q0_int);
U2: DFF port map(D1, D0, reset_n, prn, Q1_int);
U3: DFF port map(D2, D1, reset_n, prn, Q2_int);
prn <= '1';
D0 <= not Q0_int; D1 <= not Q1_int; D2 <= not Q2_int;
Q0 <= Q0_int; Q1 <= Q1_int; Q2 <= Q2_int;
end bg;


c) Các lệnh tuần tự:
library ieee;
entity Q13_2 is
end Q13_2;
signal Q2_int, Q1_int, Q0_int: std_logic;
begin
begin
if reset_n = '0' then
Q0_int <= '0';
Q0_int <= not Q0_int;
end if;
end process;
process(Q0_int)
begin
Q1_int <= '0';
elsif falling_edge(Q0_int) then
end if;
end process;
process(Q1_int)
begin
Q2_int <= '0';
elsif falling_edge(Q1_int) then
end if;
end process;
Q0 <= Q0_int; Q1 <= Q1_int; Q2 <= Q2_int;
end bg;


Chú ý: Ta có thể khai báo buffer cho các đối tượng ra Q2, Q1, và Q0, khi đó không cần dùng
các tín hiệu Q2_int, Q1_int, Q0_int.

14. Thiết kế bộ đếm lên 3 bit loại song song (còn gọi là bộ đếm đồng bộ) với xung nhịp vào
CLK (kích cạnh). Mạch có ngõ reset tích cực thấp reset_n. Hãy viết mã VHDL với
a) Mô hình cấu trúc với component JKFF có sẵn.
b) Các lệnh tuần tự.
c) Với dãy đếm 1, 3, 5, 7, 1, . .
Bài giải.
a) Mô hình cấu trúc với component JKFF có sẵn:
library ieee;
entity Q14_1 is
Q2, Q1, Q0: buffer std_logic); -- Q0: LSB
end Q14_1;

COMPONENT JKFF
PORT (j : IN STD_LOGIC;
k : IN STD_LOGIC;
clk : IN STD_LOGIC;
clrn: IN STD_LOGIC;
prn : IN STD_LOGIC;
q : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;
-- Inputs | Output
-- PRN CLRN CLK J K | Q
-- L H X X X | H
-- H L X X X | L
-- L L X X X | Illegal
-- H H L X X | Qo*
-- H H  L L | Qo*
-- H H  H L | H
-- H H  L H | L
-- H H  H H | Toggle
-- * Qo = level of Q before Clock pulse
-- All flipflops are positive-edge-triggered.
signal J0, J1, J2, prn: std_logic;
begin
U1: JKFF port map(J0, J0, CLK, reset_n, prn, Q0);
prn <= '1'; J0 <= '1'; J1 <= Q0; J2 <= Q1 and Q0;
end bg;

b) Các lệnh tuần tự:
library ieee;
use ieee.std_logic_unsigned.all; -- De tinh cong so nhi phan
voi so nguyen
entity Q14_2 is
end Q14_2;

signal Q: std_logic_vector(2 downto 0);
begin
process(CLK)
begin
if reset_n ='0' then
Q <= "000";
Q <= Q + 1;
end if;
end process;
Q2 <= Q(2); Q1 <= Q(1); Q0 <= Q(0);
end bg;
c) Với dãy đếm 1, 3, 5, 7, 1, . .
Chỉ cần sửa lại trong phần process của b) như sau:
if reset_n ='0' then
Q <= "001";
if Q = "111" then
Q <= "001";
else
Q <= Q + 2;
end if;
end if;


Kts cac bt giai san ve vhdl 2011

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a Kts cac bt giai san ve vhdl 2011

Semelhante a Kts cac bt giai san ve vhdl 2011 (20)

Kts cac bt giai san ve vhdl 2011