【南邮 | 电工电子基础实验A】数字电路·实验九（一）可编程器件与ISE软件的应用
实验名称：可编程器件与ISE软件的应用
设计方式：原理图
难度：⚡⚡（初学者&软件安装减益）
适用教材：郭宇锋《电工电子基础实验（第2版）》
寄语：电工电子基础实验A，启动！
一、配置ISE14.7
1. 软件安装注意事项
出于预习报告写作、实验操作、考试复习的需要，我们有必要在自己电脑上下载ISE14.7，并熟习其操作。网上有多个优秀的安装教程，本文不再赘述，我主要介绍安装过程中的注意事项。
我使用的系统是Win10，安装ISE14.7主要有两种方式：标准安装（作为软件安装）、Win10版安装（作为VirtualBox虚拟机安装），建议电脑配置不太好的同学选择标准安装，追求软件界面美观（其实就是更清晰一点）选择后者。
【标准安装·注意事项】在Select Installation Options中，建议取消勾选WinCap和WebTalk，它们会导致安装程序在最后卡住不动（当然这时候直接退出的话ISE软件激活后也是可以使用的）；如果勾选Cable Drivers，你的笔记本电脑可以带到实验室去代替实验室的老台式机，进行烧录等操作（当然要经过教师同意）。
【Win10版安装注意事项】建议顺道去官网下一份帮助文档（14.7 Installation Guide and Release Notes），文档测试的VirtualBox版本是5.2.3.4，可以到VB的官网下载，还要记得下对应的Extension_Pack，也能够实现上文Cable Drivers的功能最后在虚拟机设置里调整一下设置即可。
安装好后可以用VirtualBox启动虚拟机，在虚拟机的桌面双击 “Project Navigator” 启动ISE1.47。若安装好后虚拟机启动失败，VBox弹出的报错窗口会提示关键信息；我遇到的问题是Win10的Hyper-V没有完全关闭导致的，可以去搜索 “Win10如何彻底关闭Hyper-V” 参考并尝试修复。需要注意的是，关闭Hyper-V后，将无法使用Win10的Linux子系统的功能，但是仍然可以使用VBox等第三方虚拟机。
2. 项目配置（今后的实验中都要用这个配置）
我们实验室用到的实验箱是 “DGDZ-5型电工电子实验箱”，在课本的附录可以看到更详细的参数，如管脚对应端口。实验的设计方式是原理图（Schematic），在软件中依次选择 File --> New Project，输入项目名称、选择路径（实验室电脑推荐保存到D盘的某个目录下，方便下次找到）、选择 top-level source 为 Schematic（默认应该是HDL），如下图所示：
点击Next，按下图依次选择 Family、Device 和 Speed，其中Speed在我做实验时设置-4是没问题的，也是教师课堂上的操作，但站内视频教程是-5。
如果是自己的笔记本，设置好后再新建下一个项目时，会保留上一次的配置；实验室的电脑关机后清理数据，应该每次都要设置好，以免烧录不进去。
二、实验流程
大部分实验中的ISE软件操作可按 “设计原理图、仿真、管脚约束、烧录”的步骤进行。
建议搭配站内视频食用：BV1Kv41187Nq
1. 设计原理图
项目建立好后，在左侧Design标签下可以找到芯片图标即名称，选中芯片后单击右键，选择New Source，选择Schematic，输入名称，如下边两张图所示：
此时我们建立了一张新的空白原理图。注意观察左侧下方的标签，我们选择 Symbols，也可以点击下图中红圈标记的按钮快速跳转到 Symbols。这个目录下存放各种元器件，Categories下是各种分类，数电实验中主要用到的类别是：General（基本，包括 低电平gnd 和 高电平vcc）、Logic（逻辑门）、Decoder（译码器）、Mux（数据选择器）、Flip_Flop（触发器）、Counter（计数器）、Shift_Register（移位寄存器）等。
补充：上图绿色圈中的按钮是添加导线按钮，可以用于连接各元件的输入输出端口；红圈正上方的两个取卡针一样的按钮是 Add I/O Marker，是用于整个原理图的输入输出端口的标记，在后面管脚约束处会用到；选中元件后可以点击下方的Symbol Info查看元件的信息，包括其用法，也可以在原理图中单击元件（选中后会变成红色），右键后找到Symol，也可以查看Symbol Info。需要注意的是，这里的元件跟数电课上的74系列芯片有较大差别，74系列芯片更具体、功能更多更复杂。
单击需要的元件后（这里演示and2），在右侧原理图的空白区域内再单击一次，元件就会被放在原理图上，按住键盘的Ctrl键不放，滚动鼠标滚轮可以缩放。缩放到合适大小后，单击Add I/O Marker，框中整个AND2可以为它的三个I/O端口添加标签，你也可以一个一个框住AND2引脚旁边的小正方形，最终效果是一样的：
双击生成的标签，接下来要对它们进行重命名，你也可以单击选中标签，右键找到Rename Port进行重命名。双击后会弹出如下窗口，选则左侧 Nets 下的条目修改 Name 中的文本并确定即可。
最终我们将3个端口分别命名为A、B、C，并保存（要记得时不时按下保存按钮，免得实验室电脑抽风）。从标签尖角的方向，容易看出哪个标签是输入端，哪个是输出端。
2. 仿真
仿真的目的是检查我们设计的电路是否能够达到我们的设计目标（也方便同学画波形图啦）。
我们回到 Design 标签，在左侧找到该标签并单击后，在上方找到 Simulation ，单击选择后，再单击我们的原理图（文件后缀是sch），最后双击 Simulate Behavioral Model，打开仿真器。
上图是仿真器界面，我用红框标记了我们刚才命名的端口，可以观察到A、B旁边的黄色方块里写着“I”，说明这是输入（Input）端口；C旁边的绿色方块中则是“O”，即输出（Output）端口。选择其中一个【输入】端口，右键，在弹出的菜单中，我们经常用到的是“Force Constant”和“Force Clock”，分别用红色箭头和紫色箭头标记，前者可以使端口保持一个常数（1或0），后者可以使端口电平按设定的周期变化。前者主要用于需要手动更改的输入，后者则能够实现自动化。我主要介绍一下后者的用法。
在定义时钟窗口中，我们主要填写3项：Leading & Trailing Edge Value 和 Period，前两项决定了每个周期输入从低还是高开始（Leading），以低还是高结束（Trailing），最后一项决定周期大小，这里填 10ns。
为了实现BA按顺序输入 00, 01, 10, 11，我们要使高位的周期是低位的2倍，即B的周期是A的2倍，设置为20ns。以此类推，我们可以实现三位、四位甚至更多的二进制数的自动输入。点击波形上边“1.00us”左边带沙漏的按钮，可以使输入持续1微秒。最终，仿真的效果如下：
发现波形呈一条直线，这是因为我们没有放大到可以显示的程度，点击上图中的放大镜，或按住Ctrl键+滚动滚轮，放大波形以便观察。我们还可以拖动Name中的端口，使得高位（B）在上,如下图所示：
【Virtual Bus的应用】按住Ctrl键不放，分别点击B和A，实现复选，右键找到“New Virtual Bus”（一般在最下面），输入名称后放大。单路波形也可以创建Virtual Bus，右键C后按同样的操作，最后得到带数字标记的波形图：
右键刚才创建的Virtual Bus，在 Radix 中找到 并选择Octal（八进制）或Hex（十六进制），可以将二进制编码转换成其他进制（输出尽量还是用二进制），如下图所示：
可见当B、A均为高电平“1”时，输出C才为高电平“1”，符合两输入与门的真值表。今后的很多实验都需要验证输入输出是否符合真值表。
3. 管脚约束
退出仿真界面回到原理图设计界面，点击上方的“Implementation”，打开“User Constraints”下拉菜单，双击其中的“I/O Pin Planning”中带“Post”的项目，等待片刻后会弹出是否创建UCF文件的确认窗口，这里选择Yes。
等待一会后，弹出如下图所示窗口，我们需要修改的地方是“I/O Std”和“Site”，前者实验中统一选择LVCMOS33，后者要根据课本附录对芯片各引脚和实验箱接线柱对应关系、结合实验箱上的实际位置进行选择，这里的P92、P93、P102分别对应实验箱的7、8、9号接线柱。（已完成图中①②）
随后单击“All ports”自动全选所有端口，最后点击左上角的保存按钮，最小化这个窗口，方便连接实物电路时查找。（已完成图中③④）
4. 烧录
首先，将实验箱与电脑用USB数据线进行连接，这一步很重要！
返回设计界面，找到下方的“Generate Programming File”，双击并等待一段时间，若没有出现红叉（Errors），则原理图的数据流文件(.bit)已经成功生成。再双击下方的“Configure Target Device”，准备将文件烧录进板子（芯片）中，这一步也称“下载”。
新窗口弹出后，双击左侧的“Boundary Scan”，然后在右侧空白部分右键，选择第一项“Add Xilinx Device”，找到项目位置下的.bit文件并打开。
打开后原本的空白区域内会出现一个芯片的图案，右键选择“Program FPGA Only”（第一个经常失败），若出现蓝底白字的“Program Success”，说明程序已经烧录到板子，可以进行连线啦！
三、结束
本文为数字电路实验部分的第一篇介绍，同学应该牢记软件的使用步骤，方便在今后各个实验快速而准确地操作，早点美美下班；考试中也会用到软件，同学更应记住每个功能的位置和它们的先后顺序；同时遇到非预期状况也要学会调整，如仿真没问题，但是搬到实验箱上总是得不出结果，这时候要检查烧录的文件是否正确、断电重启实验箱、换管脚等等操作。
愿同学们实验顺利！
