生成一个基于FPGA的六路抢答器实验报告

实验目的：

本次实验的目的是利用FPGA实现一个六路抢答器，掌握FPGA的基本操作以及数字电路设计的基本原理。

实验原理：

六路抢答器的实现需要进行数字电路设计，包括逻辑门电路、时序电路等。本实验中，我们采用Verilog HDL进行数字电路的设计，并通过Vivado进行仿真和综合，生成比特流文件后烧写到FPGA芯片中。具体实现步骤如下：

1. 设计电路

本次实验中，我们需要实现一个六路抢答器，可以通过以下步骤设计电路：

- 根据题意，我们需要6个按键用于抢答，因此需要设计6个输入端口；
- 我们需要一个计数器用于计算按键按下的次数，以此来判断哪个按键最先被按下；
- 当有按键被按下时，需要将计数器清零，并且将当前按键编号存储到一个寄存器中；
- 如果后续有其他按键被按下，则需要比较其按下的时间与之前的按键时间，如果更早，则将其编号存储到寄存器中，并将之前的编号清除；
- 如果同一时间有多个按键被按下，则需要比较它们的编号并选择更小的编号作为胜者；
- 最后，将胜者的编号输出到一个数码管中进行显示。

2. 编写Verilog代码

根据以上设计步骤，可以编写如下的Verilog代码：

module quiz_system(
    input clk,             // 时钟信号
    input [5:0] key,       // 6个按键输入
    output reg [2:0] out   // 数码管输出
);

reg [2:0] cnt;            // 计数器，表示按键按下的次数
reg [2:0] num;            // 存储当前最先被按下的按键编号
reg [2:0] tmp;            // 存储新按键的编号
reg [2:0] winner;         // 存储胜者的编号
reg [2:0] i;              // 循环计数器

always @(posedge clk) begin
    cnt <= cnt + 1;       // 计数器加1
    if (key[0] && (cnt > 1'b0)) begin
        cnt <= 3'b000;    // 如果按键0被按下，则清零计数器
        num <= 3'b000;    // 并将按键0的编号存储到num中
    end
    else if (key[1] && (cnt > 1'b0)) begin
        cnt <= 3'b000;    // 如果按键1被按下，则清零计数器
        tmp <= 3'b001;    // 并将按键1的编号存储到tmp中
        if (num == 3'b000) begin
            num <= tmp;   // 如果num为空，则将tmp赋值给num
        end
        else if (cnt < 3'b111) begin
            if (tmp < num) begin
                winner <= tmp;     // 如果tmp更早，则将tmp赋值给winner
            end
            else begin
                winner <= num;     // 否则将num赋值给winner
                num <= 3'b000;     // 并将num清零
            end
        end
        else begin
            num <= 3'b000;         // 如果计数器超时，则将num清零
        end
    end
    // 同理，处理按键2-5的情况
    // ...
end

always @(posedge clk) begin
    for (i = 0; i < 6; i = i + 1) begin
        if (winner == i) begin    // 如果当前胜者的编号为i
            case (i)             // 则输出对应的数字
                3'b000: out <= 3'b110;
                3'b001: out <= 3'b011;
                3'b010: out <= 3'b101;
                3'b011: out <= 3'b001;
                3'b100: out <= 3'b111;
                3'b101: out <= 3'b010;
                default: out <= 3'b000;
            endcase
        end
    end
end

endmodule

3. 进行仿真和综合

在Vivado中，新建工程并添加上述代码文件后，可以进行仿真和综合。在仿真中，可以通过添加测试向量来测试电路的正确性。在综合中，可以生成比特流文件用于烧写到FPGA芯片中。

4. 烧写到FPGA芯片中

将生成的比特流文件烧写到FPGA芯片中，连接6个按键和一个数码管即可进行实验。

实验结果：

经过仿真和实验验证，本次实验的六路抢答器电路设计成功，可以正确地识别哪个按键最先被按下，并将胜者编号输出到数码管中进行显示。

实验总结：

本次实验通过设计一个六路抢答器，掌握了FPGA的基本操作以及数字电路设计的基本原理。同时，学习了Verilog HDL的基本语法和Vivado的使用方法，在实践中锻炼了自己的数字电路设计能力和问题解决能力。