数字逻辑电路课程设计_4B5B编码_VHDL实现(含完整代码)

UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

数字逻辑设计

实验报告

实验题目：4B5B编码器 学生： 指导老师：

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一、实验容

4B/5B编码是百兆以太网中线路层编码类型之一，该试验需要实现用5bit的二进制数来表示4bit二进制数。

二、实验要求

1、功能性要求：

能够实现4B5B编码，即输入4bit数据时能输出正确的5bit编码结果。 2、算法要求：

利用卡诺图对编码真值表进行化简，得出其逻辑表达式，并基于此进行硬件设计。

3、设计性要求：

使用代码及原理图两种设计方式来进行设计。采用基本门结构化描述。能够编写Test Bench文件，并利用Modelsim进行仿真。

三、实验原理及设计思路

1、实验原理：

在IEEE 802.9a等时以太网标准中的4B:5B编码方案,因其效率高和容易实

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现而被采用。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。5bit码共有32种组合，但只采用其中的16种对应4bit码的16种，其他的16种或者未用或者用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。

4B5B编码表如下：

2、设计思路： （1）整体思路：

对已知的编码真值表，首先利用卡诺图对其进行化简，得出其逻辑表达式，再用基本门结构将其实现。 （2）卡诺图与表达式：

设输入的4位编码为：ABCD，输出的5位编码为：VWXYZ，则分别画出其卡诺图并得出表达式如下： 1.V:

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2.W:

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V=A+B’D’+B’C

W=B+A’C’

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3.X:

4.Y:

.

X=C+A’B’D’

Y=A’B+AB’+C’D’+AC’

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5.Z:

Z=D

（3）基本门结构设计：

由上述表达式可见，用到的基本门有：非门、2输入与门、3输入与门、2输入或门、3输入或门、4输入或门，用not、and、or将其一一表示出即可。

四、程序设计

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1、顶层模块：

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity main is

Port ( a : in STD_LOGIC; b : in STD_LOGIC; c : in STD_LOGIC; d : in STD_LOGIC; v : out STD_LOGIC; w : out STD_LOGIC; x : out STD_LOGIC; y : out STD_LOGIC; z : out STD_LOGIC); end main;

architecture Behavioral of main is COMPONENT noti PORT(

i : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

COMPONENT and2i PORT(

i1 : IN std_logic;

i2 : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

COMPONENT and3i PORT(

i1 : IN std_logic; i2 : IN std_logic;

i3 : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

COMPONENT or2i PORT(

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. i1 : IN std_logic;

i2 : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

COMPONENT or3i PORT(

i1 : IN std_logic; i2 : IN std_logic;

i3 : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

COMPONENT or4i PORT(

i1 : IN std_logic; i2 : IN std_logic; i3 : IN std_logic; i4 : IN std_logic; o : OUT std_logic );

END COMPONENT;

signal nota,notb,notc,notd,v1,v2,v3,w1,w2,x1,x2,y1,y2,y3,y4,vv,ww,xx,yy,zz : std_logic;

begin --not--

Inst_noti_nota: noti PORT MAP( i => a, o => nota );

Inst_noti_notb: noti PORT MAP( i => b, o => notb );

Inst_noti_notc: noti PORT MAP( i => c, o => notc );

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Inst_noti_notd: noti PORT MAP( i => d, o => notd );

--v-- v1<=a;

Inst_and2i_v2: and2i PORT MAP( i1 => notb, i2 => notd, o => v2 );

Inst_and2i_v3: and2i PORT MAP( i1 => notb, i2 => c, o => v3 );

Inst_or3i_vv: or3i PORT MAP( i1 => v1, i2 => v2, i3 => v3, o => vv );

--w-- w1<=b;

Inst_and2i_w2: and2i PORT MAP( i1 => nota, i2 => notc, o => w2 );

Inst_or2i_ww: or2i PORT MAP( i1 => w1, i2 => w2, o => ww );

--x--

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x1<=c;

Inst_and3i_x2: and3i PORT MAP( i1 => nota, i2 => notb, i3 => notd, o => x2 );

Inst_or2i_xx: or2i PORT MAP( i1 => x1, i2 => x2, o => xx );

--y--

Inst_and2i_y1: and2i PORT MAP( i1 => nota, i2 => b, o => y1 );

Inst_and2i_y2: and2i PORT MAP( i1 => a, i2 => notb, o => y2 );

Inst_and2i_y3: and2i PORT MAP( i1 => notc, i2 => notd, o => y3 );

Inst_and2i_y4: and2i PORT MAP( i1 => a, i2 => notc, o => y4 );

Inst_or4i_yy: or4i PORT MAP( i1 => y1, i2 => y2, i3 => y3,

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10 i4 => y4, o => yy );

--z-- zz<=d;

--not--

Inst_noti_v: noti PORT MAP( i => vv, o => v );

Inst_noti_w: noti PORT MAP( i => ww, o => w );

Inst_noti_x: noti PORT MAP( i => xx, o => x );

Inst_noti_y: noti PORT MAP( i => yy, o => y );

Inst_noti_z: noti PORT MAP( i => zz, o => z );

end Behavioral;

2、非门：

entity noti is

Port ( i : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end noti;

architecture Behavioral of noti is begin

o <= not i;

. / 18

11 . end Behavioral;

3、2输入与门：

entity and2i is

Port ( i1 : in STD_LOGIC; i2 : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end and2i;

architecture Behavioral of and2i is begin

o <= i1 and i2; end Behavioral;

4、3输入与门：

entity and3i is

Port ( i1 : in STD_LOGIC; i2 : in STD_LOGIC; i3 : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end and3i;

architecture Behavioral of and3i is

begin

o<=i1 and i2 and i3; end Behavioral;

5、2输入或门：

entity or2i is

Port ( i1 : in STD_LOGIC; i2 : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end or2i;

architecture Behavioral of or2i is begin

o<=i1 or i2; end Behavioral;

6、3输入或门：

entity or3i is

Port ( i1 : in STD_LOGIC;

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. i2 : in STD_LOGIC;

i3 : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end or3i;

architecture Behavioral of or3i is begin

o <= i1 or i2 or i3; end Behavioral;

7、4输入或门：

entity or4i is

Port ( i1 : in STD_LOGIC; i2 : in STD_LOGIC; i3 : in STD_LOGIC; i4 : in STD_LOGIC; o : out STD_LOGIC); end or4i;

architecture Behavioral of or4i is begin

o<=i1 or i2 or i3 or i4; end Behavioral;

五、仿真与硬件调试

1、仿真： （1）顶层仿真： 1.仿真文件：

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.ALL; ENTITY test1 IS END test1;

ARCHITECTURE behavior OF test1 IS

-- Component Declaration for the Unit Under Test (UUT) COMPONENT main PORT(

a : IN std_logic; b : IN std_logic; c : IN std_logic;

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. d : IN std_logic;

v : OUT std_logic; w : OUT std_logic; x : OUT std_logic; y : OUT std_logic; z : OUT std_logic );

END COMPONENT;

--Inputs

signal a : std_logic := '0'; signal b : std_logic := '0'; signal c : std_logic := '0'; signal d : std_logic := '0';

--Outputs

signal v : std_logic; signal w : std_logic; signal x : std_logic; signal y : std_logic; signal z : std_logic;

-- No clocks detected in port list. Replace below with -- appropriate port name

BEGIN

-- Instantiate the Unit Under Test (UUT) uut: main PORT MAP ( a => a, b => b, c => c, d => d, v => v, w => w, x => x,

y => y, z => z );

-- Stimulus process stim_proc: process begin

a<='0';b<='0';c<='0';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='0';c<='0';d<='1';

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.

wait for 100 ns;

a<='0';b<='0';c<='1';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='0';c<='1';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='1';c<='0';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='1';c<='0';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='1';c<='1';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='0';b<='1';c<='1';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='0';c<='0';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='0';c<='0';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='0';c<='1';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='0';c<='1';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='1';c<='0';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='1';c<='0';d<='1'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='1';c<='1';d<='0'; wait for 100 ns;

a<='1';b<='1';c<='1';d<='1'; -- insert stimulus here wait; end process; END;

2.仿真结果：

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（2）非门仿真：

（3）2输入与门仿真：

（4）2输入或门仿真：

（5）3输入或门仿真：

（6）4输入或门仿真：

2、硬件调试：

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（1）管脚配置： NET \"a\" LOC = P6; #sb1 NET \"b\" LOC = P141; NET \"c\" LOC = P136; NET \"d\" LOC = P129;

NET \"v\" LOC = P122; NET \"w\" LOC = P123; NET \"x\" LOC = P124; NET \"y\" LOC = P125; NET \"z\" LOC = P126;

（2）调试结果：

如上图所示，4B码为“0000”，其对应的5B码为“11110”。

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如上图所示，4B码为“1100”，其对应的5B码为“11010”。

六、结束语

这次实验是我第一次用VHDL编写程序，并对其进行仿真和硬件调试。虽然这个实验很简单，但是在此过程中我还是有所收获，其中让我收获最大的就是使我在编程时脑海中开始有了“器件描述”的思想，使自己原本脑海中C语言的实现换成了实在的对电路器件与功能的描述。

并且感同学及老师在试验中的帮助！

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