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实验二 多路复用器的实现
班级 姓名 学号
一、实验目的
1．熟悉多路复用器、加法器的工作原理。
2．学会使用VHDL 语言设计多路复用器、加法器。
3．掌握generic 的使用，设计n-1 多路复用器。
4．兼顾速度与成本，设计行波加法器和先行进位加法器。

二、实验内容
1、利用VHDL语言设计一个8重3-1多路复用器，实现3个八位向量输入，选择一个输出的功能。
2、利用VHDL语言，使用generic设计n-1多路复用器并调用它定制为8-1多路复用器.
3、了解4位行波加法器、4位先行进位加法器的原理并设计VHDL程序。查看并分析其原理图，最后进行仿真验证。

三、实验方法
1、 实验方法
采用基于FPGA进行数字逻辑电路设计的方法。
采用的软件工具是Quartus II。

2、 实验步骤
1、 新建，编写源代码。
(1).选择保存项和芯片类型：【File】-【new project wizard】-【next】（设置文件路径，在本次实验中，我将四个实验项目分别设置三个project name为MUX3_1、N_1MUX、ADDER和PREADD）-【next】（add添加文件，三个实验项目分别设置文件名MUX3_1.vhd、N_1MUX.vhd、ADDER.vhd和PREADD.vhd）-【properties】（检查文件类型type=VHDL）-【next】（三个项目都统一选择芯片类型family=Cyclone；name= EP1C3T100A8）-【next】-【finish】
(2).新建：【file】-【new】（选择VHDL File）-【OK】
2、写好源代码，保存文件（分别为MUX3_1.vhd、N_1MUX.vhd、ADDER.vhd和PREADD.vhd）。
3、编译与调试。确定源代码文件为当前工程文件，点击【processing】-【start compilation】进行文件编译，编译成功。
4、波形仿真及验证（包括功能仿真和时序仿真）。
新建一个vector waveform file。通过操作：右击 -【insert】-【insert node or bus】-【node finder】（pins=all；【list】）-【>>】-【ok】-【ok】。接着设置输入波形，然后点击【start simulation】开始仿真，查看时序仿真输出波形图。
在【assignments】-【setting】-【simulator settings】-【simulation mode】中，将timing修改为functional，然后再点击【processing】- 【Generate Functional Simulation Netlist】成功后点击【start simulation】开始仿真，查看输出功能仿真波形图。
5、时序分析：选择【start classic timing analyzer】-在compilation report中选择【timing analysis】-【tpd】（查看引脚到引脚的延时）
6、查看RTL Viewer:【Tools】-【netlist viewer】-【RTL viewer】。

四、实验过程
（一）8重3-1多路复用器
1、 编译过程
a）源代码如图（VHDL设计）

b)编译、调试过程
编译报告，资源消耗如下：
警告信息共一条：

c) RTL视图

d)结果分析及结论
程序正常通过编译，出现一则警告，提示“定义的管脚没有和外部的管脚连接”。因为本次实验并没有在实体芯片上运行，所以暂时可以不做处理，往下几个实验的警告相同，所以不再赘述。
2、 波形仿真
a) 波形仿真过程：插入S、I0、I1、I2和Y五个节点（S、I0、I1、I2为输入节点，Y为输出节点），设置输入波形，点击为S设置计时器信号，从00开始；设置I0为固定输入01010101，I1为固定输入11001101，I2为固定输入00110110，保存并对应仿真。
b) 功能仿真波形图
c) 结果分析及结论
当输入S为00时，Y输出为01010101，即选择了I0输出，正确；
当输入S为01时，Y输出为11001101，即选择了I1输出，正确；
当输入S为10时，Y输出为00110110，即选择了I2输出，正确；
当输入S为11时，Y输出为00000000，因为这种情况下没有对Y进行赋值，所以输出是默认初值。

d)时序仿真波形图

e）结果分析及结论
可以看出每次输入信号S变换后,输出有约15ns的延迟,且输出信号作出反应时产生了在短时间内的信号波动,其余表现同功能仿真.

3.时序分析
a)时序分析图

b)结果分析及结论
S[0]引脚到Y[0]引脚的实际p2p时间最长,为15.902ns，I0[7]引脚到Y[7]引脚的实际p2p时间最短,为9.617ns。

（二）设计n-1多路复用器并调用它定制为8-1多路复用器
1.编译过程
a）源代码如图（VHDL设计）
b)编译、调试过程

编译报告，资源消耗如下：

c) RTL视图
d)结果分析及结论
程序正常通过编译，我通过调用函数以行为描述的方式的设计，从RTL电路原理图看出实际实现的电路模块为选择器。

3、 波形仿真
a) 波形仿真过程：插入S,I,Y三个信号（S、I为输入节点，Y为输出节点），设置输入波形，点击为S设置三位计时器信号从000开始，设置I[7~0]为固定输入01011001，保存并对应仿真。

b) 功能仿真波形图

c) 结果分析及结论
自输入S从000到111,应当分别选择I的第0到7位输出看到输出波形随着S输入信号的变换依次为10011010，正确。

d)时序仿真波形图
e）结果分析及结论
可以看出，时序仿真每次输入时变化，输出在延迟13秒左右作出反应，且在部分输入变化时存在冒险；将输入改成按照格雷码进行变换时，输出的冒险很好地消除了（见下图）。

3.时序分析
a)时序分析图

b)结果分析及结论
S[1]引脚到Y引脚的实际p2p时间为14.796ns ,是所有引脚间tpd最长的，S[2]引脚到Y引脚的实际p2p时间为12.205ns，时延最短。

（三）行波进位加法器
1.编译过程
a）源代码如图（VHDL设计）

b)编译、调试过程
编译报告，资源消耗如下：

c) RTL视图

d)结果分析及结论
程序正常通过编译，我采用分层设计方式进行结构描述，利用半加器、全加器，组合成四位行波加法器。

4、 波形仿真
a) 波形仿真过程：插入A、B、C0、S、C4五个节点（A、B、C0为输入节点，其余为输出节点），设置输入波形，点击为A设置四位计时器信号，从0000开始，点击为B设置四位计时器信号，从0010开始，C0设置为时钟信号，周期160ns，相位差0，保存并进行对应仿真。

b)功能仿真波形图与分析
观察到080ns，在进位输入为0时，输出的是A+B的结果，如4050ns，A输入0100，B输入0110，输出S为1010且输出进位为0，正确；
但结果存在溢出时，进位输入为1，如70~80ns，A输入0111，B输入1001，计算结果溢出，输出S为0000且输出进位为1表示溢出，正确；
b) 时序仿真波形图及分析
可以观察到每次输入变化都会有将近12ns的延迟以及几ns的输出跳动，在部分时候，如60ns处的输入变化所对应的输出甚至发生了溢出位的跳动。
3.时序分析
a)时序分析图
(如右图所示)

b)结果分析及结论
可以看到最长的延迟为引脚C[0]到S[3]的,为15.467ns。

（四）四位先行进位加法器
1.编译过程
a）源代码如图（VHDL设计）

b)编译、调试过程
编译报告，资源消耗如下：
c) RTL视图

d)结果分析及结论
程序正常通过编译，我采用数据流描述进行设计，利用逻辑门直接计算得出各位的进位输入,得到四位先行进位加法器。

5、 波形仿真
c) 波形仿真过程：插入A、B、C0、S、C4五个节点（A、B、C0为输入节点，其余为输出节点），设置输入波形，点击为A设置四位计时器信号，从0000开始，点击为B设置四位计时器信号，从0010开始，C0设置为时钟信号，周期160ns，相位差0，保存并进行对应仿真。

b)仿真波形图与分析
波形仿真效果与先行进位加法器类似,这里不再过多说明
3.时序分析
a)时序分析图

b)结果分析及结论
可以看到最长的延迟为引脚A[0]到C4的,为16.977ns。
对比行波进位加法器，延迟反而更大，可能是与芯片性能并不理想，电路并没有更好地优化有关。

五、实验结论
通过此次试验，我对多路复用器、加法器的工作原理的了解更加深刻。同时也了解generic 的使用。在实验过程中也与老师探讨了n-1多路复用器的其他实现方法，给了我很多启发。

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