基于FPGA的自动售货机的课设说明书

目录1引言................................................................................................................................12VHDL介绍.....................................................................................................................22.1硬件描述语言VHDL..............................................................................................22.2VHDL语言的特点...................................................................................................33QuartusII软件简介.........................................................................................................43.1软件介绍...................................................................................................................43.2界面介绍...................................................................................................................43.2.1代码输入界面....................................................................................................43.2.2功能仿真界面....................................................................................................53.2.3波形仿真界面....................................................................................................64自动售货机控制器设计与仿真....................................................................................74.1硬件电路设计...........................................................................................................74.2状态转换图...............................................................................................................74.3时序仿真结果.........................................................................................................105引脚锁定及下载...........................................................................................................125.1引脚锁定.................................................................................................................125.2下载.........................................................................................................................125.3结果分析.................................................................................................................126设计总结.......................................................................................................................14参考文献..........................................................................................................................15附录..................................................................................................................................1611引言VHDL的英文全名是VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptiongLanguage,诞生于1982年。1987年底，VHDL被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。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。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的英文全写（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。随着EDA技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模可编程逻辑器件CPLD／FPGA的出现，给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且具有完全的知识产权。利用VHDL语言设计自动售货机，使其实现自动售货，找零钱等功能，突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易读性等优点。此程序通过下载到特定芯片后，可应用于实际的自动售货机系统中。本文基于FPGA开发系统，在QuartusII7.2软件平台上，完成了自动售货机控制器的设计和与仿真，并下载到试验箱进行硬件实现。首先，本文介绍了QuartusII7.2软件的基本使用方法和VHDL硬件描述语言的特点，采用VHDL硬件描述语言描述自动售货机控制器，完成对电路的功能仿真。在设计过程中，重点探讨了自动售货机控制器的设计思路和功能模块划分。然后，初步探讨了电路逻辑综合的原理，该软件对自动售货机控制器电路进行了逻辑综合。最后，使用EDA实验开发系统进行电路的下载和验证。验证结果表明设计的自动售货机控制器完成了预期的功能。22VHDL介绍2.1硬件描述语言VHDL硬件描述语言(HDL)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输人500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“A=B+C”即可。而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEE-STD-1076)。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。(4)VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。[6]传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage，简称HDL)。但这些硬件描述语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是，美国3于1981年提出了一种新的、标准化的HDL，称之为VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptionLanguage，简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到门电路，最后用PLD实现其功能。2.2VHDL语言的特点具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点：第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质上就是对整