一、实验目的

      熟悉并掌握Verilog HDL和Vivado的使用

二、实验环境

     Vivado2021.2

三、实验目标

学习使用 Verilog 完成4选1多路选择器的设计和实现,并使用 Vivado工具对设计进行仿真和分析验证。

四、实验原理

多路选择器（MUX）是一种在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选 出来的电路，其原理图和真值表如下图所示。

 

五、实验内容

5.1 vivado的下载和安装

为了完成4选1多路选择器，我们需要使用Verilog HDL 语言就是编写和仿真，而最知名的软件就是vivado。

为了安装vivado，首先需要登录它的官网：

Vivado ML 概述

可以看到如下界面：

 

我们点击版本，显示如下：

点击标准版进行下载（周围的同学有选择下载企业版的，但是部分同学下载企业版后会因为缺少某些dll文件而打不开，所以建议下载标准版）

 

继续点击中间的download：

 

这里需要注意，我下载的时候是2022年五月，所以我比较不信任2022年1月的版本，所以我选择了2021年的2月版本。点击之后如下：

 

可以发现有三个选项可以下载，他们的区别是：第一个是windows的web版本，第二个是linux的web版本，第三个是Windows的直接下载版本。Web版本的好处是，可以仅仅下载很少的内容，然后只需要在有网的情况下，等待其安装完即可；直接下载的好处是下载完解压之后不需要网络。

我选择的是直接下载，但是下载的实在太慢了。这里提供两种方法解决：

第一种方法是，在点击下载后，浏览器右边会出现下载的图标，如下：

右键选中：

 

复制下载链接，然后打开迅雷：

 

将复制的链接添加进去，就可以以相对快的速度下载了。

第二种方法是通过VPN进行下载，因为官网在国外，使用国内的网下载较慢，通过VPN可能稍微快点

下载完成后，得到一个文件夹：

点进去，往下翻，找到

找到这个exe文件后，以管理员身份运行，就可以开始安装了。

首先进入到欢迎界面，下一步后，界面如下：

 

这里选择第一个标准版。下一步：

2021.2版本默认选中了上面这些，占用82.47G的硬盘空间，如果硬盘空间够的话，建议是全选的，如果不够的话，可能可以去掉SoCs。然后继续下一步：

 

都选择同意，下一步：

 这个需要选择路径了，一般肯定是不会放在C盘的。这时候需要在D或者E盘新建一个Xilinx文件夹，并将路径修改到那个文件夹。需要注意的是，路径一定不可以有中文！！选择后，点击下一步，就等待安装即可：

 

5.2 vivado的项目创建

安装完毕后，桌面会多出几个小图标：

 点击选中的那一个，进入如下界面：

 下面介绍如何创建一个进行多路选择的项目，点击Create Project：

 点击next：

 写上项目名和路径，依然不要有中文：

 默认，然后next：

 选择硬件数据：选择器件或者板卡，Parts表示器件，当然如果是板卡就点击Boards，我们实验一般都是使用parts，然后在底下的part中选取一个合适的即可（不会选默认也行）这样完成创建之后，界面如下：

点击这个加号：

 选择第二个，next：

 选择CREATE files：

 选择Verilog语言，定义一个文件名，然后确定。

 选择port，因为我们实现的是4选1，需要5个input和1个output，所以我们直接点击加号添加到满足条件为止，然后OK。这样就完成了源文件的创建。

5.3 Verilog语言编写4选1 选择器

在进入到design source文件后，就可以进行Verilog的编写了。我编写的代码如下：

 下面我来解释一个它们的含义：

Module是Verilog语言的一个基本单位，它是一个电路，通过输入和输出端口与其外部交互，以module+模块名开头，以endmodule结束。

在其中括号里定义了所需要的输入输出端口。

Input和output分别代表了我们所需要的五个输入端口和一个输出端口。

Wire和Reg是Verilog最常用的两个数据类型，wire 类型表示硬件单元之间的物理连线，由其连接的器件输出端连续驱动；寄存器（reg）用来表示存储单元，它会保持数据原有的值，直到被改写。它们的位宽默认为1，当位宽大于1时，就像上图表示的那样，以向量的形式写出。Wire[3:0]就表示位宽为4，最高有效位为0，最低有效位为3。

之后的always属于一种过程结构，Verilog的过程结构有always和initial。initial 语句从 0 时刻开始执行，只执行一次，多个 initial 块之间是相互独立的；与initial 语句相反，always 语句是重复执行的。always 语句块从 0 时刻开始执行其中的行为语句；当执行完最后一条语句后，便再次执行语句块中的第一条语句，如此循环反复。

之后的case相当于多个if-else语句，在select不同的时候，将输出结果赋值为对应的输入。

编写完设计代码后，我们再新建一个仿真案例测试：

 点击这个加号：

 这次选择第三个，创建一个simulation sources，之后的过程与前面一样，不再赘述。创建后，编写代码如下：

 现在是另一个模块了，所以模块依然以module+模块名开头，以endmodule结尾。因为与前一个模块相对，所以他们的输入输出要保持一致。并且该模块作为测试模块，需要对输入输出端口进行初始化，所以使用initial语句进行。初始化之后，我将select赋值为00，很明显输出应该为in1，现在需要验证是否正确。

为了将该模块和之前编写的设计模块联系起来，需要通过模块例化来完成。我采用命名端口进行连接，将需要例化的模块端口与外部信号按照其名字进行连接，端口顺序随意，可以与引用 module 的声明端口顺序不一致，只要保证端口名字与外部信号匹配即可。完成连接后，就可以开始测试了。

 点击页面左侧的Run Simulation，得到如下结果：

 因为仿真显示默认为十六进制，所以为了显示二进制方便观察，可以点击右上角的齿轮，将Radix改成binary即可。

 之后也可以通过修改select的值来重复确认设计是否正确，这里不再赘述。也可以通过点击：

 Open Elaborated Design来查看设计的电路图（可能比较需要内存，我内存不够，运行会闪退）5.4 实验过程中遇到的问题和解决方案

5.4.1 安装问题

问题1：在安装中如果出现：

 

这种情况，但是在之前选择存取路径时明明没有中文。

解决方案：出现这种情况的原因是，可能是当解压安装包之后，解压后的文件夹存放的路径有中文。可以选择将路径中的中文更改为英文的方式解决。

问题2（同学的问题）：

 

显示缺失dll文件，这种情况可能是装了专业版或者电脑本身缺少文件。

解决方案：如果是装了专业版，建议重新安装；如果是缺少了文件，可以向正常安装的同学要对应的文件，存放在指定的路径即可。

问题3（同学的问题）：

 打开vivado显示win11上无法使用的问题。

解决方案:经测试，关闭此警告后，仍可以正常运行vivado，应该不需要解决。

5.4.2 使用问题

问题1：在进行仿真时，显示一个程序正在使用。

 解决方案：这种情况在百度之后，我发现有两种可能，一种是使用了其他代码编辑器打开了该文件；另一种情况就是上一次仿真没有关闭。极大可能是第二种。最简单的解决方法是关闭所以与vivado有关的进程，并重新打开，省时省力。

另外，仿真案例正确的关闭方式是：

 点击最右边那个×，而不仅仅是将那个仿真窗口关闭。

问题2:

 所有运行结果总是呈现高阻状态。

解决方案：这种情况可能是因为两个模块没有连接好，具体可能是因为两个模块的端口格式不匹配等问题，检查并保持一致即可。

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        今天到这里结束，以后会更新全加器、比较器、译码器等计算机组成原理实验内容