数字系统设计基于EDA技术的多功能数字钟.docx

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数字系统设计基于EDA技术的多功能数字钟

题目：

数字系统设计

基于EDA技术的多功能数字钟

数字系统设计—基于EDA技术的多功能数字钟

目录

第1章EDA技术与数字系统设计2

1.1引言2

1.2EDA技术及其发展2

1.2.1EDA简介2

1.2.2EDA的设计流程3

1.2.3EDA技术的应用3

1.2.4EDA技术的发展前景4

1.3常用的EDA开发工具5

1.3.1集成的CPLD/FPGA开发工具6

1.3.2HDL逻辑综合软件7

1.3.3HDL仿真软件8

第2章多功能数字中的设计13

2.1课题要求13

2.2课题分析13

2.3功能实现14

2.3.1秒计时模块15

2.3.2分计时模块17

2.3.3小时计时模块18

2.3.4校时校分模块20

2.3.5整点报时模块21

2.3.6时段控制模块22

2.3.7连接各模块22

2.4下载模块24

2.5总结报告27

参考文献28

第一章EDA技术与数字系统设计

1.1引言

计算机技术和微电子工艺的发展，使得现代数字系统的设计和应用进入了新的阶段。

EDA技术在数字系统设计中的作用越来越重要，FPGA器件的更新换代也非常快，新的工具和新的设计方法不断推出，可编程逻辑器件不断增加新的模块，功能越来越强，硬件设计语言也顺应形势，推出新的标准，更加好用，更加便捷。

从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA有应用。

另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。

如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图，汽车和飞机的模型、电影特技等领域。

1.2EDA技术及其发展

EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写。

在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

1.2.1EDA简介

EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而开发出的电子CAD通用软件包，它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

目前EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：

IC设计、电子电路设计和PCB设计。

没有EDA技术的支持，想要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的；反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

1.2.2EDA的设计流程

1、文本/原理图编辑与修改。

首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本（ABEL-HDL程序）或图形方式（原理图或状态图）表达出来。

2、编译。

完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。

3、综合。

这是将软件设计与硬件的可实现性挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤。

综合后HDL综合器可生成ENIF、XNF或VHDL等格式的网表文件，他们从门级开始描述了最基本的门电路结构。

4、行为仿真和功能仿真。

利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。

（该步骤可以略去）

5、适配。

利用FPGA/CPLD布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。

该操作完成后，EDA软件将产生针对此项设计的适配报告和JED下载文件等多项结果。

适配报告指明了芯片内资源的分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况。

6、功能仿真和时序仿真。

该不妨真实接近真实器件运行的方针，仿真过程已将器件的硬件特性考虑进去了，因此仿真精度要高的多。

7、下载。

如果以上的所有过程都没有发现问题，就可以将适配器产生的下载文件通过FPGA/CPLD下载电缆载入目标芯片FPGA或CPLD中。

8、硬件仿真与测试。

1.2.3EDA技术的应用

EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。

在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。

主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。

一般学习电路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。

科研方面主要利用电路仿真工具（EWB或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。

在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线EDA技术应用、产品测试等各个环节。

如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。

1.2.4EDA技术的发展前景

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域工作中，ＥＤＡ技术的含量以惊人的速度上升，从而使它成为当今电子技术发展的前沿之一。

由于在电子系统设计领域中的明显优势，基于大规模可编程器件解决方案的EDA技术及其应用在近年中有了巨大的发展，将电子设计技术再次推向又一崭新的历史阶段。

这些新的发展大致包括以下5个部分：

1、新器件

由于市场的需求和市场竞争的促进，成熟的EDA工具所能支持的，同

时标志着最新EDA工具所能支持的，同时标志着最新EDA技术发展成果的新

器件不断涌现，其特点主要表现为：

（1）大规模。

（2）低功耗

（3）模拟可编程。

（4）含多种专用端口和附加功能模块的FPGA。

2、新工具软件。

为了适应更大规模FPGA的开发，包括片上系统的DSP的开发，除了第三方EDA公司不断更新的通用EDA工具外，主要PLD供应商也相继推出，并适时升级其EDA开发工具。

3、基于FPGA的DSP系统设计。

现代大容量、高速度的FPGA的出现，克服了上述方案的诸多不足。

在这FPGA中，一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。

用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、易于测试及硬件升级。

4、计算机处理器设计。

EDA技术与FPGA在通信领域中的成功已是众所周知的事实了，而对于一般的处理器的实现也已司空见惯。

如利用硬件描述语言设计嵌入式系统处理器、各类CPU或单片机等，并以软核的形式在FPGA中实现。

但利用FPGA实现高性能的处理器，乃至超级计算机处理器的功能，不能不说是一项崭新的尝试。

目前，尽管基于EDA技术的计算机处理器的FPGA实现尚未进入全面的商业化开发阶段，但其研究和应用的成果却不得不令人深感FPGA在这一领域中的巨大潜力和广阔的市场。

5、与ASIC市场的竞争技术。

由于EDA技术是面向解决电子系统最基本最低层硬件实现问题的技术，因此就其发展趋势的横向看，势必涉及越来越广阔的电子技术及电子设计技术领域。

其中包括电子工程、电子信息、通信、航天航空、工业自动化、家电、生物工程等等。

而且随着大规模集成电路技术的发展和EDA工具软件功能的不断加强，所涉及的领域还将不断扩大；而从纵向看，EDA技术实现的硬件形式和涉及的理论模型必将走向一个统一的结合体，即单片系统SOC或SOPC。

1.3常用的EDA软件工具

根据设计的不同阶段和层次对常用的EDA软件工具进行介绍。

1.3.1集成的CPLD/FPGA开发工具

集成的CPLD/FPGA开发工具是由CPLD/FPGA芯片生产厂家提供的，这些工具可以完成从设计输入（原理图或HDL）。

逻辑综合，模拟仿真到适配器下载等全部工作。

集成的CPLD/FPGA开发工具是由CPLD/FPGA芯片生产厂家提供的，这些工具可以完成从设计输入（原理图或HDL）。

逻辑综合，模拟仿真到适配器下载等全部工作。

FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。

在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

常用的集成开发工具：

1.3.2HDL逻辑综合软件

  把HDL语言翻译成最基本的与或非门的连接关系（网表），输出.edf文件，导给CPLD/FPGA厂家的软件进行试配和布线。

为了优化结果，在进行复杂HDL设计时，基本上都会使用这些专业的逻辑综合软件，而不使用CPLD/FPGA厂家的集成开发软件中自带的逻辑综合功能。

常用的HDL逻辑综合软件：

1.3.3HDL仿真软件

仿真工具提供了对设计进行模拟仿真的手段，包括对设计进行校验仿真,布线以前的功能仿真（前仿真）和布线以后包含的时序仿真（后仿真）,对于一些复杂的HDL设计中，仿真比设计本身还要艰巨，因此需要这些软件专业的仿真功能。

常用的HDL仿真软件：

EDA公司提供的各种专业软件，均以提高设计效率，优化设计结果，用以进行更复杂和更高效的设计。

这些软件可以组合时使用，相互之间具有良好的兼容性和互操作性。

此次论文设计主要使用到Altera的集成开发软件MAX+plusⅡ。

在此对MAX+PlusII作简单介绍：

一、软件功能简介

MAX+PlusⅡ（MultipleArrayAndProgrammingLogicUserSystem）开发工具是美国Altera公司推出的一种EDA工具，具有灵活高效，使用便捷，易学易用的特点。

Altera公司在推出各种CPLD和FPGA的同时也在不断地升级相应的开发工具软件，已从早期的第一代A+Plus、第二代MAX+Plus发展到目前的第三 代MAX+PlusII和第四代Quartus。

使用MAX+PlusⅡ软件，设计者无需精通器件内部的复杂结构，只需熟悉所用的设计输入工具，如硬件描述语言、原理图等进行输入，MAX+PlusⅡ自动将设计转换成目标文件下载到器件中去。

MAX+PlusⅡ开发系统具有以下特点：

（1）多平台系统MAX+PlusⅡ的设计输入、处理与校验功能一起提供了全集成化的可编程开发工具，可以加快动态调试，缩短开发周期。

（2）开放的界面MAX+PlusⅡ可与其它工业标准的设计输入、综合和校验工具链接。

具有EDI