基于FPGA的数字时钟设计三峡大学电气与新能源学院.docx
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基于FPGA的数字时钟设计三峡大学电气与新能源学院
《CPLD及电子CAD》
同组同学：
代磊
一．EDA介绍
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件（MAX+plusII或QuartusII）平台上，用硬件描述语言VHDL或相关类似编程语言完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至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。
EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。
二．VHDL语言
（1）VHDL语言介绍：
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
（2）VHDL语言的基本知识：
（a）实体,构造体
Entity（实体）用来说明模型的外部输入输出特征;Architecture（构造体）用来定义模型的内容和功能
每一个构造体必须有一个实体与它相对应，所以两者一般成对出现
（b）.顺序语句和并行语句
顺序语句只能出现在进程（Process）和子程序中,其中子程序包括函数（Function）和过程（Procedure）.顺序语句种类有：
进程语句，赋值语句，流程控制语句，等待语句，子程序调用语句，返回语句，空操作语句。
（具体例子见后面设计的系统示例中）。
并行语句是VHDL区别于传统软件描述语言最显著的一个方面.各种并行语句在结构体中是同时并发执行的,也就是说,只要某个信号发生变化,都会引起相应语句被执行而产生相应的输出,其执行顺序与书写顺序没有任何关系。
但在一个结构体内,各进程外部的语句是并发执行的,它们之间可以通过信号进行通信,而每个进程内部的语句是顺序执行的。
（相关例子也在后面列的设计例子中有）
在实际编程时,应将并行语句和顺序语句灵活运用才符合VHDL的设计要求和硬件特点。
（c）进程
两种进程设计方式：
****************************************************************************
【进程标号：
】process【（敏感参数列表）】[is]
[进程申明部分；]
begin
顺序语句
endprocess
****************************************************************************
【进程标号：
】process[is]
[进程申明部分；]
begin
wait语句；
顺序语句
endprocess
*******************************************************************************
（d）信号与变量
信号与变量的区别见下面图表：
（e）顺序语句
IF_THEN_ELSE语句
只能在进程内使用，至少应有一个条件句，条件句必须由布尔表达式构成。
语句形式：
IF条件句Then
顺序语句
ELSIF条件句Then
顺序语句
ELSE
顺序语句
ENDIF
CASE_WHEN语句
表达式可以是一个整数类型或枚举类型的值，也可以是由这些数据类型的值构成的数组，条件句中的选择值必在表达式的取值范围内。
除非所有条件句中的选择值能完整覆盖CASE语句中表达式的取值，否则最末一个条件句中的选择必须用“OTHERS”表示。
CASE语句中每一条件句的选择值只能出现一次，不能有相同选择值的条件语句出现。
CASE语句执行中必须选中，且只能选中所列条件语句中的一条。
LOOP语句
基本格式：
[LOOP标号:
]
[重复模式]LOOP
顺序语句；
ENDLOOP[LOOP标号]
FOR<条件表达式>IN<范围>LOOP
顺序语句
ENDLOOP;
WHILE<条件表达式>LOOP
顺序语句
ENDLOOP;
[LOOP标号:
]LOOP
顺序语句
EXIT[LOOP标号];
ENDLOOP;
NEXT
[LOOP标号][WHEN语句]
2、并行语句
VHDL语言与传统软件描述语言最大的不同，有多种语句格式，包括：
并行信号赋值语句、进程语句、块语句、条件信号赋值语句、元件例化语句、生成语句、并行过程调用语句。
各种并行语句在结构体中的执行是同步进行的，或者说是并行运行的，其执行方式与书写的顺序无关。
在执行中，并行语句之间可以有信息往来，也可以是互为独立、互不相关、异步运行的（如多时钟情况）。
每一并行语句内部的语句运行方式可以有两种不同的方式，即并行执行方式（如块语句）和顺序执行方式（如进程语句）
With_Select_Then选择信号语句
所有的“WHEN”子句必须是互斥的。
一般用“WhenOthers”来处理未考虑到的情况，只有一个参考信号和赋值符（<=），每一子句结尾是逗号，最后一句是分号
When_Else选择信号语句
根据指定条件对信号赋值，条件可以为任意表达式；根据条件的出现的先后次序隐含优先权；最后一个ELSE子句隐含了所有未列出的条件。
每一子句的结尾没有标点，只有最后一句有分号
3、进程语句
进程语句是VHDL中最重要的语句，具有并行和顺序行为的双重性。
进程和进程语句之间是并行关系，进程内部是一组连续执行的顺序语句，进程语句与构造体中的其余部分进行信息交流是靠信号完成的。
基本格式：
[进程标号：
]PROCESS[（信号敏感表）]IS
〈说明区〉
BEGIN
〈顺序语句〉
ENDPROCESS[进程标号]；
信号敏感表
进程赖以启动的是敏感表。
对于表中列出的任何信号的改变，都将启动进程，执行进程内相应顺序语句。
一些VHDL综合器，综合后，对应进程的硬件系统对进程中的所有输入的信号都是敏感的，不论在源程序的进程中是否把所有的信号都列人敏感表中。
为了使软件仿真与综合后的硬件仿真对应起来，应当将进程中的所有输人信号都列入敏感表中
双向口
双口RAM的输入和输出是相互独立的吧，他们的工作是分别由（输入始能，输入时钟，输入地址）和（输出始能，输出时钟，输出地址）控制了,只要注意,同时不对一个地址进行读写操作,就应该不会出问题。
以下是课堂上双向口示例程序：
ENTITYldcntISPORT（clk,ld,oe:
INstd_logic;
count:
INOUTstd_logic_vector（7DOWNTO0））;
ENDldcnt;
ARCHITECTUREarchldcntOFldcntIS
SIGNALint_count:
std_logic_vector（7DOWNTO0）;
BEGIN
cnt:
PROCESS（clk）
BEGIN
IFrising_edge（clk）THEN
IFld='1'THENint_count<=count;
ELSEint_count<=int_count+1;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESScnt;
outen:
PROCESS（oe,int_count）BEGIN
IFoe='1'THENcount<=int_count;
ELSEcount<=（OTHERS=>'Z'）;
ENDIF;
ENDPROCESSouten;
ENDarchldcnt;
状态机
所谓状态机（FSM有限状态机），简单来讲，就是给个条件，由这个状态跳到下一个，或者保持不变。
在此过程中有可能有某些值得输出。
一个最简单的状态机例子：
A—》B—》C—》A，每来一个时钟，状态改变一下。
（a）状态机的优势：
1、状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。
2、由于状态机的结构相对简单，设计方案相对固定。
3、状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块。
4、高可靠性。
5、在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。
6、状态机的VHDL表述丰富多样、有其独到的好处。
（后面数字时钟设计中对数码管的显示切换就是用状态机的设计原理完成的）
（b）状态机结构
元件例化
元件例化即生成在新图形文件中能被应用到的图形设计文件。
此次试验主要涉及到具体操作问题。
下面就相关操作予以说明：
1选择工具按钮有效时，在图形编辑器窗口的空白处单击鼠标左键以确定输入位置，然后选择EnterSymbol，或双击鼠标左键。
2将出现一个EnterSymbol对话框，在symbolLibraries框中选择“..\maxplus2\max2lib\prim”。
3所有的Altera图元以列表方式显示出来，选择您想输入的图元，然后选择OK
（后面数字时钟设计中的图形文件的制作主要就是用此法，并连线才构成一个最终的时钟系统）
三.数字钟综合设计
一．系统总体框图
二．系统文件截图
三．各模块部分介绍
（1）时钟和调时部分——２４,６０进制计数
（ａ）模块截图：
（ｂ）程序
２４进制：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityershisi_33_34is
port（clk,clr,en:
instd_logic;
carry:
outstd_logic;
ge:
outstd_logic_vector（3downto0）;
shi:
outstd_logic_vector（3downto0））;
end;
architectureoneofershisi_33_34is
signalg,s:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
process（clk,clr,en,g,s）
begin
ifclr='1'then
g<="0000";s<="0000";
elsifclk'eventandclk='1'then
ifen='0'then
ifg="0011"ands="0010"then
g<="0000";s<="0000";carry<='1';
elsifg="1001"then
g<="0000";s<=s+1;
else
g<=g+1;carry<='0';
endif;
endif;
endif;
endprocess;
ge<=g;shi<=s;
end;
６０进制：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityliushijinzhi_33_34is
port（clk,clr,en:
instd_logic;
carry:
outstd_logic;
ge:
outstd_logic_vector（3downto0）;
shi:
outstd_logic_vector（3downto0））;
end;
architectureoneofliushijinzhi_33_34is
signalg,s:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
process（clk,clr,en,g,s）
begin
ifclr='1'then
g<="0000";s<="0000";
elsifclk'eventandclk='1'then
ifen='0'then
ifg="1001"ands="0101"then
g<="0000";s<="0000";carry<='1';
elsifg="1001"then
g<="0000";s<=s+1;
else
g<=g+1;carry<='0';
endif;
endif;
endif;
endprocess;
ge<=g;shi<=s;
end;
（2）秒表部分——１００，６０进制计数
（ａ）模块截图：
（ｂ）100进制计数程序部分和60进制的差不多，就不列举程序了
（3）
定时比较和显示切换及闹钟分段——基于状态机编程设计
（ａ）模块截图：
（ｂ）程序
定时比较和显示切换：
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITYbijiaohexianshiISPORT（
clk,clr:
INstd_logic;
turn:
INstd_logic_vector（1downto0）;
mg,ms,fg,fs,sg,ss:
instd_logic_vector（3downto0）;
ms_1g,ms_1s,ms_2g,ms_2s,ms_mg,ms_ms,ms_fg,ms_fs:
instd_logic_vector（3downto0）;
d_fg,d_fs,d_sg,d_ss:
instd_logic_vector（3downto0）;
g1,g2,g3,g4,g5,g6,g7,g8:
outstd_logic_vector（3downto0）;
speaker_dtime:
outstd_logic）;
ENDbijiaohexianshi;
ARCHITECTUREarch_1OFbijiaohexianshiIS
TYPEclock_statesIS（time,dtime,mtime,light）;
SIGNALsm:
clock_states;
BEGIN
fsm:
PROCESS（clk,clr）
BEGIN
IFclr='1'THENsm<=time;
ELSIFclk'eventandclk='1'THEN
CASEsmIS
WHENtime=>IFturn="00"THENsm<=dtime;
ENDIF;
WHENdtime=>IFturn="01"THENsm<=mtime;
endif;
WHENmtime=>IFturn="10"THENsm<=time;
ENDIF;
WHENothers=>sm<=time;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESSfsm;
g1<=mgWHEN（sm=time）elsems_2gwhen（sm=mtime）ELSEd_fgwhen（sm=dtime）;
g2<=msWHEN（sm=time）elsems_2swhen（sm=mtime）ELSEd_fswhen（sm=dtime）;
g3<=fgWHEN（sm=time）elsems_1gwhen（sm=mtime）ELSEd_sgwhen（sm=dtime）;
g4<=fsWHEN（sm=time）elsems_1swhen（sm=mtime）ELSEd_sswhen（sm=dtime）;
g5<=sgWHEN（sm=time）elsems_mgwhen（sm=mtime）ELSE"0000";
g6<=ssWHEN（sm=time）elsems_mswhen（sm=mtime）ELSE"0000";
g7<="0000"WHEN（sm=time）elsems_fgwhen（sm=mtime）ELSE"0000";
g8<="0000"WHEN（sm=time）elsems_fgwhen（sm=mtime）ELSE"0000";
speaker_dtime<='1'when（ss=d_ssandsg=d_sgandfs=d_fsandfg=d_fg）else'0';
ENDarch_1;
报时分段：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitybaoshifenduanis
port（clk1,clk2,clk3,speaker_dtime:
instd_logic;
ms:
instd_logic_vector（3downto0）;
speaker:
outstd_logic）;
end;
architectureoneofbaoshifenduanis
begin
process（speaker_dtime,clk1,clk2,clk3,ms）
begin
ifspeaker_dtime='1'then
ifms<=1then
speaker<=clk3;
elsifms<=3then
speaker<=clk1;
elsifms<=5then
speaker<=clk2;
else
speaker<='0';
endif;
else
speaker<='0';
endif;
endprocess;
end;
（4）蜂鸣器模块：
（ａ）模块截图：
蜂鸣器模块管理：
模块分成整点报时和闹钟报时两部分，两部分通过或门后送到蜂鸣器。
虽然两部分CLK不同，但每次只能有一部分使能，因此不会出现两者冲突和报时错误问题。
（b）程序
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityfmqis
port（clk2,clk3:
instd_logic;
mg,ms,fg,fs:
instd_logic_vector（3downto0）;
speaker:
outstd_logic）;
end;
architectureoneoffmqis
begin
process（clk2,clk3,mg,ms,fg,fs）
begin
if（fs=5andfg=9）and（ms=5andmg>=5）then
speaker<=clk2;
elsif（fs=0andfg=0）and（ms=0andmg=0）then
speaker<=clk3;
else
speaker<='0';
endif;
endprocess;
end;
（5）蜂鸣器模块：
（ａ）模块截图：
模块介绍：
送入三种不同频率和显示切换的信号，判断显示切换信号并设置8个数码管的流水灯形式和频率，秒表时流水灯跑得很急促，好像在催人快步前进一样！
四．Protel原理图、PCB图
五．总结:
通过这段时间的学习，我对FPGA/CPLD等编程器件确实有一定的了解，掌握了部分EDA技术。
并且以自己的想法和老师的知道，自己动手设计了一个简易的数字综合时钟。
除此之外，我自己设计的程序还有多路选择器，交通灯等。
学习了VHDL语言，我了解了数字集成电路的使用方法；重点了解了一下状态机，并在EDA实验室在硬件上实现了交通灯和数字中的设计与仿真，这为后期学习积累了很大的兴趣。
总之，对于我来说，FPGA/CPLD可以解决我目前所遇到的一些数字电路问题。
学得有限，还有很多要学，即使课程结束了，我还会继续学习，争取以后在SOPC设计中有所研究。
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