基于VHDL的乒乓球游戏机设计

李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第1页共23页1引言EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）技术是现代电子工程领域的一门新技术。它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发张和推广应用极大地推动了电子工业的发展。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件自动地完成逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑综合及优化，逻辑布局布线，逻辑仿真，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。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下就可以得到最后的设计结果[1]。近年来，集成电路制造技术的快速发展,一方面促进了相应设计技术的发展,另一方面也对设计技术提出了更高的要求。当前集成电路设计,面临着功能强、性能好、规模大、成本低、设计周期短等一系列要求和挑战,这些要求和挑战引起了集成电路设计方法的全面革新。当今,以行为设计为主要标志的新一代数字系统设计理论已形成并得到发展。在集成电路的数字系统的系统级设计中,VHDL硬件描述语言构造的描述模型优化设计,有利于高效利用设计空间,实现设计结构的精确分析,使芯片资源得以充分利用。1.1课题的背景、目的20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。而休闲时间越来越少的人们越来越没太多的时间出去搞户外活动，于是众多电子游戏相应而出，成为大家的娱乐节目。因此设计了这个两人的乒乓球游戏。而电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点：一是开发产品的复杂程度加深；二是开发产品的上市时限紧迫。而伴随着如上两个特点的产生，相应的出现了设计上的两个问题。其一，在电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化的今天，电子厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸，从而使得电子设计日趋复杂。那么如何去完成这些高复杂度的电子设计呢?其二，电子产品设计周期短和上市快是电子厂商们坚持不懈的追求，那么面对日趋复杂的设计，又如何能够缩短开发时间呢？解决以上两个问题的唯一途径是电子设计自动化（EDA）,即用计算机帮助设计人员完成繁琐的设计工作。李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第2页共23页1.2课题设计主要内容两人乒乓球游戏机是用8个发光二级管代表乒乓球台，中间两个发光二极管兼做乒乓球网，用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动。在游戏机的两侧各设置发球和击球开关，甲乙双方按乒乓球比赛规则来操作开关。当甲方按动发球开关时，靠近甲方的第一个发光二极管亮，然后发光二极管由甲方向乙方依次点亮，代表乒乓球的移动。当球过网后按照设计者规定的球位乙方就可以击球。若乙方提前击球或者未击到球，则甲方得分。然后重新发球进行比赛，知道一方记分达到21分为止，记分清零，重新开始新一局比赛。李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第3页共23页2开发工具简介2.1EDA技术EDA[2]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。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。2.2硬件描述语言—VHDLVHDL[3]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）。李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第4页共23页现在，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与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[4]（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。(5)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。2.3MAX+PLUSⅡ的介绍Altera公司的MAX+PLUSⅡ[5]开发系统是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，它可以在多种平台上运用。它所提供的灵活性和高效性是无可比拟的。其丰富的图形界面，辅之以完整的、可及时访问的在线文档，使学生能够轻松掌握和使用MAX+PLUSⅡ软件。MAX+PLUSⅡ软件支持各种HDL设计输入选项，包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL，它允许设计人员添加自己认为有价值的宏函数。MAX+PLUSⅡ系统的核心Compiler支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第5页共23页系列，提供了商业界唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。MAX+PLUSⅡ的编译器还提供了强大的逻辑综合与优化功能，使用户比较容易地将设计集成到器件中。●设计输入MAX+plusII软件的设计输入方式有多种，主要包括原理图输入方式、文本输入方式、波形设计输入方式、层次设计输入方式和底层设计输入方式。因此，设计人员可以根据自己的实际情况灵活选择使用。●设计编译MAX+plusII编译一个设计时，Compiler在设计文件中读取信息并产生编程文件和仿真文件，MessageProcessor（信息处理程序）可自动定位错误。●设计校验设计校验过程包括设计仿真和定时分析，仿真起的作用是测试逻辑操作和设计功能的完备性；TimingAnalyzer（定时分析程序）可分析设计的定时和延时情况。●器件编程MAX+plusIIProgrammer是使用Compiler生成的编程文件对Altera器件进行编程的。它可以用来对器件编程、校验和试验，是对设计功能进行的测试。Altera公司器件的编程方法有许多种，可根据具体情况选择使用。编译生成的配置文件经计算机并行通信口接到Altera专用编程电缆上，再接到器件的编程接口[6]，利用应用软件提供的编程软件，Programmer即可对器件进行配置。这种方法的优点是配置方便、迅速，便于修改。MAX+plus2在Windows2000/XP上一旦安装完毕，经过设置即可使用硬件下载功能。在Windows2000上除了安装软件外，为了使用ByteBlaster(MV)下载功能，还必须安装硬件驱动(Drivers)以支持MAX+plus2对PC机并行口的操作。李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第6页共23页3设计方案3.1状态机的设计思路状态机设置了7个状态，分别是“等待发球状态”，第一盏灯亮状态“，第八盏灯亮状态”，“球向乙移动状态”，“球向甲移动状态”，“允许甲击球状态”，“允许乙击球状态”。这是该程序中起作用的7个状态。开始的时候处于“等待发球状态”，若甲发球则状态转移到“第一盏灯亮状态，若乙发球则转移到”第八盏灯亮状态“，具体说明以甲发球为例。若发球后乙没有提前击球——规定球移动到对方第一个发光二极管时允许击球，那么状态机从“第一盏灯亮状态”转移到“球向乙移动状态”。若在“球向乙移动状态”乙仍然没有提前击球，状态就转移到“允许乙击球状态”，在此状态下，如果乙击球了，那么状态就转移到“球向甲移动状态”。在“第一盏灯亮状态”，“球向乙移动状态”中，如果乙击球了，就算提前击球，这样甲得分，状态转移到“等待发球状态”等待发球。“球向甲移动状态”之后的过程和前面的过程只不过是甲乙角色的调换而已。状态转移规则都是一样。图3-1给出了乒乓游戏机的状态转移图。图3-13.2乒乓球游戏机实体的设计设计该乒乓球游戏机的输入/输出端口。首先考虑输入端口，一般都应该设置一个异步置位端口reset，用于在系统不正常时回到初始状态；两个发球输入端serve1和serve2，逻辑‘1’分别表示甲方和乙方的发球；两个击球输入端hit1和hit2，逻辑‘1’分别表第一盏灯亮第一盏灯亮第一盏灯亮第一盏灯亮第一盏灯亮第一盏灯亮第一盏灯亮李园园《基于VHDL的乒乓球游戏机设计》第7页共23页示甲击球和乙击球；一个开始游戏按钮startbutton，处于逻辑‘1’表示可以游戏；还得有一个时钟输入端口clk。其次考虑输出端口，芯片应该有8个输出端口来控制8个发光二极管，输出逻辑‘1’即输出一个高电平，