基于VHDL的数字时钟论文

摘要随着基于CPLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制用计算机等领域的重要性日益突出。作为一个学电子信息专业的学生，我们必须不断地了解更多的新产品信息，这就更加要求我们对EDA有个全面的认识。本程序设计的是基于VHDL的数字时钟。采用EDA作为开发工具，VHDL语言为硬件描述语言，QUARTUSII作为程序运行平台，所开发的程序通过调试运行、波形仿真验证，初步实现了设计目标。本程序使用的硬件描述语言VHDL，可以大大降低了硬件数字系统设计的入门级别，让人感觉就是C语言的亲近。ABSTRACTWiththeEDA-basedCPLDdevelopmentandapplicationoftechnologytoexpandthefieldofdepth,EDAtechnologyinelectronicinformation,communications,automaticcontrolwiththeimportanceofcomputerandotherfieldshavebecomeincreasinglyprominent..Asaprofessionalelectronicsandinformationsciencestudents,wemustcontinuetolearnmoreaboutthenewproductinformation,whichrequiresustomoreEDAhasacomprehensiveunderstandingof。Theprogramdesignisasimpleflowerdesign。TheuseofEDAasadevelopmenttool,VHDLlanguageforhardwaredescriptionlanguage,MAX+PLUSIIprogramrunsasaplatformforthedevelopmentofproceduresbyrunningthroughthedebugging,waveformsimulation,theinitialrealizationofthedesigngoals。ThisprocedureusedinhardwaredescriptionlanguageVHDL,thehardwarecansignificantlyreducethenumberofentry-levelsystemdesign,givepeopletheimpressionthatacloserelativeofClanguage.目录第一章概论..........................................................51.1课程背景：......................................错误!未定义书签。1.2课程目标........................................错误!未定义书签。第二章电子钟的设计要求和工作原理....................................72.1设计要求........................................错误!未定义书签。2.2系统设计方案概述及工作原理......................错误!未定义书签。2.3数字电子钟设计源程序............................错误!未定义书签。第三章开发工具简介..................................................53.1EDA技术........................................................53.2硬件描述语言—VHDL.............................................63.3VHDL的设计流程................................................7第四章时钟设计模块..................................错误!未定义书签。4.1时钟分频模块....................................错误!未定义书签。4.2计时模块.......................................错误!未定义书签。4.3显示模块........................................错误!未定义书签。4.3.1计时位选择电路................................错误!未定义书签。4.3.2七段显示译码电路..............................错误!未定义书签。第五章波形仿真.....................................错误!未定义书签。第六章本次课程设计的心得体会......................................18致谢................................................错误!未定义书签。参考文献............................................错误!未定义书签。引言数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.第一章概论1.1课程背景FPGA系统设计初级班培训课程主要帮助学员尽快掌握CPLD/FPGA的开发流程和设计方法，以工程实践为例，循序渐进的学习FPGA的集成开发环境，开发流程以及硬件电路设计等知识。每次课程都配有相关实战训练，每个实战训练题目都可以在红色飓风II代的FPGA硬件平台上进行下载验证。通过实战，学员可以更好的理解消化课堂知识，工程实践水平会得到迅速提高。1.2课程目标迅速掌握和使用CPLD/FPGA数字系统开发工具、开发流程，能够独立进行初步的FPGA系统设计。经过培训，学员可以掌握HDL语言的初步开发能力，并且解决FPGA产品开发过程中的常见问题，掌握基于FPGA的嵌入式系统（NIOSII）的设计和调试方法。第2章开发工具简介3.1EDA技术EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionlanguage）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件。综合器在工作前，必须给定所要实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用一定的方式联系起来。也就是说，综合器是软件描述与硬件实现的一座桥梁。综合过程就是将电路的高级语言描述转换低级的、可与目标器件FPGA/CPLD相映射的网表文件。适配器的功能是将由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中，产生最终的下载文件，如JED文件。适配所选定的目标器件（FPGA/CPLD芯片）必须属于在综合器中已指定的目标器件系列。硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA和CPLD内部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA/CPLD开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。3.2硬件描述语言—VHDLVHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。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。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。(1)与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。(2)VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。(3)VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。(4)对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。(4)VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。3.3VHDL的设计流程(1)设计输入根据电路设计所提出的要求，将程序输入到VHDL编辑器中去编辑。(2)功能级模拟用VHDL，模拟器对编辑后的程序进行模拟，如果达不到设计要求，则可以重新修改程序，直到通过功能模拟。(3)逻辑综合与优化将通过功能模拟的程序放到VHDL编译器中，进行逻辑综合与优化。(4)门级模拟对电路用VHDL。仿真器仿真。可对门级电路的延时、定时状态、驱动能力等进行仿真。如不符合要求，可重复步骤(3)，再门级模拟，直到符合要求止。(5)版图生成用相应的软件处理后，就可以拿去制版。第三章数字电子钟