EDA技術課程設計報告簡易電子琴的設計

1、成 績指導教師：日 期：eda技術課程設計題 目： eda技術及其應用 簡易電子琴設計 姓 名： 院 系： 電子信息工程學系 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 091班級 學 號： 指導教師： 2012年 1 月eda技術課程設計報告簡易電子琴的設計（電子信息工程學系 指導教師：）摘 要 在現(xiàn)代的電子設計中，eda技術已經(jīng)成為一種普遍的工具，它在電子信息、通信、自動控制用計算機等領域的重要性日益突出。本課程設計主要采用eda技術設計一個簡易的八音符電子琴，它采用eda作為開發(fā)工具，verilog hdl語言為硬件描述語言，max + plus ii作為程序運行平臺，所開發(fā)的程序通過調試運行、波形仿

2、真驗證，初步實現(xiàn)了設計目標。本程序使用的硬件描述語言verilog hdl，既能進行面向綜合的電路設計，又可用于電路的模擬仿真，能夠在多層次上對所設計的系統(tǒng)加以描述，易學易用，語言功能強。關鍵詞 課程設計；eda；verilog hdl；電子琴1課程設計的目的系統(tǒng)實現(xiàn)是用硬件描述語言verilog按模塊化方式進行設計，然后進行編程、時序仿真、電路功能驗證，奏出美妙的樂曲。鞏固和運用所學課程，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術實際問題的獨立工作能力，通過對一個簡易的八音符電子琴的設計，進一步加深對計算機原理以及數(shù)字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設計、制作與調試的方法和步

3、驟。鞏固所學課堂知識，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術實際問題的獨立工作能力。2課程設計的要求（1）設計一個簡易的八音符電子琴，它可通過按鍵輸入來控制音響。（2）演奏時可以選擇是手動演奏（由鍵盤輸入）還是自動演奏已存入的樂曲。（3）能夠自動演奏多首樂曲，且每首樂曲可重復演奏。. eda技術eda是電子設計自動化（electronic design automation）縮寫，是90年代初從cad（計算機輔助設計）、cam（計算機輔助制造）、cat（計算機輔助測試）和cae（計算機輔助工程）的概念發(fā)展而來的。eda技術是以計算機為工具，根據(jù)硬件描述語言hdl（ hardware descr

4、iption language）完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對于特定目標芯片的適配編譯和編程下載等工作。典型的eda工具中必須包含兩個特殊的軟件包，即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設計者在eda平臺上完成的針對某個系統(tǒng)項目的hdl、原理圖或狀態(tài)圖形描述，針對給定的硬件系統(tǒng)組件，進行編譯、優(yōu)化、轉換和綜合，最終獲得我們欲實現(xiàn)功能的描述文件。綜合器在工作前，必須給定所要實現(xiàn)的硬件結構參數(shù)，它的功能就是將軟件描述與給定的硬件結構用一定的方式聯(lián)系起來。也就是說，綜合器是軟件描述與硬件實現(xiàn)的一座橋梁。綜合過程就是將電路的高級語言描述轉換低級的、可與目

5、標器件fpga/cpld相映射的網(wǎng)表文件。適配器的功能是將由綜合器產(chǎn)生的王表文件配置與指定的目標器件中，產(chǎn)生最終的下載文件，如jed文件。適配所選定的目標器件（fpga/cpld芯片）必須屬于在綜合器中已指定的目標器件系列。.硬件描述語言verilog hdl硬件描述語言hdl是eda技術中的重要組成部分，常用的硬件描述語言有veriloghdl 、vhdl、system verilog、system c、abel hdl和ahdl等，而verilog hdl和vhdl是當前最流行的并成為ieee標準的硬件描述語言。verilog hdl是目前應用最為廣泛的硬件描述語言， 并被ieee 采納為

6、ieee1064-1995 、ieee1064-2001、ieee1064-2003標準。verilog hdl可以用來進行各種層次的邏輯設計，也可以進行數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、仿真驗證和時序分析。verilog hdl適合算法級（ algorithm） 、寄存器傳輸級（rtl） 、邏輯級（logic）、門級（gate）和開關級（transistor）等各個層次的電路設計和描述。verilog hdl和vhdl都是用于電路設計的硬件描述語言，并且都已成為ieee標準。verilog hdl早在1983年就已經(jīng)推出，至今已有20多年的應用歷史，因而verilog hdl擁有廣泛的設計群體，其設計資源

7、比vhdl豐富。4.1、hdl的特點1、hdl具有強大的功能，覆蓋面廣，描述能力強。hdl支持門級電路的描述，也支持寄存器傳輸級電路的描述，還支持以行為算法描述為對象的電路的描述。2、hdl有良好的可讀性。它可以被計算機接受，也容易被讀者理解。用hdl書寫的源文件，既是程序又是文檔，既是工程技術人員之間交換信息的文件，又可作為合同簽約者之間的文件。3、hdl具有良好的可移植性。作為一種已被ieee承認的工業(yè)標準，hdl事實上已成為通用的硬件描述語言，可以在各種不同的設計環(huán)境和系統(tǒng)平臺中使用。4、使用hdl可以延長設計的生命周期。用hdl描述的硬件電路與工藝無關，不會因工藝而過時。與工藝有關的參

8、數(shù)可以通過hdl提供的屬性加以描述，工藝改變時，只需要修改相應程序中屬性參數(shù)即可。hdl支持對大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用。hdl可以描述復雜的電路系統(tǒng)，支持對大規(guī)模設計的分解，由多人、多項目組來共同承擔和完成。標準化的規(guī)則和風格，為設計的再利用提供了有力的支持。5、hdl有利于保護知識產(chǎn)權。用hdl設計的專用集成電路（asic），在設計文件下載到集成電路時可以采用一定保密措施，使其不易被破譯和竊取。5 verilog hdl 設計流程圖圖1 verilog hdl 設計流程圖6. verilog hdl語言應用6.1設計要求定義在從事設計進行編寫verilog hdl代碼之前，必須先對

9、你的設計目的和要求有一個明確的認識。確定要實現(xiàn)的功能、對所需的信號建立時間、時鐘/輸出時間、最大系統(tǒng)工作頻率、關鍵的路徑等這些要求，要有一個明確的定義，然后對比設計，再選擇適當?shù)脑O計方式和相應的器件結構，進行設計的綜合。6.2用verilog hdl語言進行設計描述1、應決定設計方式，設計方式一般說來有三種：自頂向下設計，自底向上設 階層的生成，而后一種方式將描述的電路當作單模塊電路來進行的。自頂向下的處理方式要求將你的設計劃分成不同的功能元件，每個元件具有專門定義的輸入和輸出，并執(zhí)行專門的邏輯功能。首先生成一個由各功能元件相互連接形成的頂層模塊來做成一個網(wǎng)表，然后再設計其中的各個元件。而自底

10、向上的處理方法正好相反。平坦式設計則是指所有功能元件均在同一層和同一圖中詳細進行的。 2、編寫設計代碼。編寫verilog hdl語言的代碼與編寫其它計算機程序語言的代碼有很大的不同，你必須清醒地認識到你正在設計硬件，編寫的verilog hdl代碼必須能夠綜合到采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)的數(shù)字邏輯之中。懂得eda工具中仿真軟件和綜合軟件的大致工作過程，將有助于編寫出優(yōu)秀的代碼。6.3用verilog hdl仿真器對verilog hdl原代碼進行功能仿真對于大型設計，采用verilog hdl仿真軟件對其進行仿真可以節(jié)省時間，可以在設計的早期階段檢測到設計中的錯誤，從而進行修正，以便盡可能地減

11、少對設計日程計劃的影響。因為對于大型設計，其綜合優(yōu)化、配置往往要花費好幾個小時，在綜合之前對原代碼仿真，就可以大大減少設計重復和修正錯誤的次數(shù)和時間。但對于小型設計，則往往不需要先對vhdl原代碼進行仿真。6.4對verilog vhdl原代碼進行綜合優(yōu)化處理選擇目標器件、輸入約束條件后，verilog hdl綜合優(yōu)化軟件工具將對verilog hdl原代碼進行處理，產(chǎn)生一個優(yōu)化了的網(wǎng)絡表，并可以進行粗略的時序仿真。綜合優(yōu)化軟件工具大致的處理過程如下：首先檢測語法和語意錯誤;然后進行綜合處理，對cpld器件而言，將得到一組工藝專用邏輯方程，對fpga器件而言，將得到一個工藝專用網(wǎng)表;最后進行優(yōu)

12、化處理，對cpld的優(yōu)化通常包括將邏輯化簡為乘積項的最小和式，降低任何給定的達式所需的邏輯塊輸入數(shù)，這些方程進一步通過器件專用優(yōu)化來實現(xiàn)資源配置。對fpga的優(yōu)化通常也需要用乘積項的和式來表達邏輯，方程系統(tǒng)可基于器件專用資源和驅動優(yōu)化目標指引來實現(xiàn)因式分解，分解的因子可用來對實現(xiàn)的有效性進行評估，其準則可用來決定是對方程序系統(tǒng)進行不同的因式分解還是保持現(xiàn)有的因子。準則通常是指分享共同因子的能力，即可以被暫存，以便于和任何新生成的因子相比較。7.設計方案 根據(jù)系統(tǒng)設計要求，系統(tǒng)設計采用自頂向下的設計方法，系統(tǒng)的整體組裝設計原理圖如圖1所示，它由樂曲自動演奏模塊、音調發(fā)生模塊和數(shù)控分頻模塊三部分組

13、成。圖2 系統(tǒng)的整體組裝設計原理圖8.分組模塊的原理(1）樂曲自動演奏模塊樂曲自動演奏模塊（auto.v）的作用是產(chǎn)生8位發(fā)聲控制輸入信號/當進行自動演奏時，由存儲在此模塊中的8位二進制數(shù)作為發(fā)聲控制輸入，從而自動演奏樂曲。樂曲演奏的原理是這樣的：組成樂曲的每個音符的頻率值（音調）及其持續(xù)的時間（音長）是樂曲能連續(xù)演奏所需的兩個基本數(shù)據(jù)，因此只要控制輸出到揚聲器的激勵信號頻率的高低和持續(xù)的時間，就可以使揚聲器發(fā)出連續(xù)的樂曲聲。圖3 樂曲自動演奏模塊仿真圖 當 auto為“0”時，由存儲在此模塊中的8位二進制數(shù)作為發(fā)聲控制輸入，可自動演奏樂曲。（3） 數(shù)控分頻模塊數(shù)控分頻模塊是對時基脈沖進行分頻

14、，得到與1、2、3、4、5、6、7七個音符相對應的頻率。圖4 數(shù)控分頻模塊的仿真圖數(shù)控分頻模塊對時基脈沖進行分頻，得到與1、2、3、4、5、6、7七個音符對應頻率。該圖輸入系統(tǒng)時鐘信號clk1初值為0（各輸出值都是在時鐘信號的下降沿有效），音符分頻系數(shù)tone1為00100000即1290hz,驅動揚聲器的音頻信號spks輸出為1。（4） 頂層設計頂層模塊由樂曲自動演奏（auto），音調發(fā)生器（tone）和數(shù)控分頻器（fenpin）三個模塊組成。設置一個自動演奏/鍵盤輸入切換auto，即當auto=“0”時，選擇自動演奏音樂存儲器里面的樂曲，auto=“1”時，選擇鍵盤輸入的信號。輸入系統(tǒng)時鐘

15、信號clk32mhz初值為0，自動演奏信號handtoauto初值為0，鍵盤輸入信號index1為00000000；輸出音符信號code1則為0110000，高低音節(jié)信號high1變?yōu)?，即高音，音頻信號spkout即輸出0，輸出為1時code1變?yōu)?110100，這時出現(xiàn)10ns的延時。在仿真時由于系統(tǒng)各方面原因影響，出現(xiàn)延時屬于正常現(xiàn)象。也許是能力不夠，再加上臨近期末時間較為緊迫，頂層設計沒能做出來，程序在編譯過程中出錯，可是知識范圍太窄，沒能找出錯誤所在，導致頂層的模塊沒能完成，因此也沒有仿真的圖形出來。9.結束語到現(xiàn)在為止，簡易電子琴的設計基本上告一段落，雖然由于自身問題沒能很好地完成

16、設計的要求，但是在設計的過程中，我受益匪淺，自身的知識能力得到了鍛煉的同時還對專業(yè)的認識有了進一步的加強。通過幾天的課程設計，我對數(shù)據(jù)庫軟件eda技術、verilog hdl、等系列知識都有了一定的了解。使用eda技術開發(fā)頁面的能力也有了很大提高。這個程序設計讓我學會一種新的語言，對數(shù)字系統(tǒng)結構也有了更進一步的了解和認識，對我以后的學習有很大的幫助。通過這次的設計，我也認識到自己的缺點和不足，如對專業(yè)理論知識了解不夠透徹，不能很好地將之運用于實踐中，雖然在暑期的電子設計大賽中有過動手能力的增強訓練，但是對于我們電子專業(yè)的學生，實踐能力是占非常大的比重的，因此在接下來的日子里，提高自己的實踐能力

17、是重點，而且必須加深對專業(yè)知識的理解。參考文獻：1曹昕燕、周鳳臣、聶春燕：eda技術實驗與課程設計 清華大學出版社2王金明 數(shù)字系統(tǒng)設計與verilog hdl 電子工業(yè)出版社附錄：附錄1：樂曲自動演奏源程序清單module auto (clk, auto, clk2, index2, index0); input clk; input auto; output clk2; reg clk2; input7:0 index2; output7:0 index0; reg7:0 index0; reg4:0 count0; always (clk or auto) begin : pulse0

18、reg3:0 count; if (auto = 1b1) begin count = 0; clk2 = 1b0 ; end else if (clk = 1b1) begin count = count + 1; if (count = 4) begin clk2 = 1b1 ; end else if (count = 8) begin clk2 = 1b0 ; count = 0; end end end always (clk2) begin : music if (clk2 = 1b1) begin if (count0 = 31) begin count0 = 0 ; end e

19、lse begin count0 = count0 + 1 ; end end end always (count0 or auto or index2) begin : com1 if (auto = 1b0) begin case (count0) 0 : begin index0 = 8b00000100 ; end 1 : begin index0 = 8b00000100 ; end 2 : begin index0 = 8b00000100 ; end 3 : begin index0 = 8b00000100 ; end 4 : begin index0 = 8b00010000

20、 ; end 5 : begin index0 = 8b00010000 ; end 6 : begin index0 = 8b00010000 ; end 7 : begin index0 = 8b00100000 ; end 8 : begin index0 = 8b10000000 ; end 9 : begin index0 = 8b10000000 ; end 10 : begin index0 = 8b10000000 ; end 11 : begin index0 = 8b00000100 ; end 12 : begin index0 = 8b00000010 ; end 13

21、 : begin index0 = 8b00000010 ; end 14 : begin index0 = 8b00000001 ; end 15 : begin index0 = 8b00000001 ; end 16 : begin index0 = 8b00010000 ; end 17 : begin index0 = 8b00010000 ; end 18 : begin index0 = 8b00001000 ; end 19 : begin index0 = 8b00001000 ; end 20 : begin index0 = 8b00001000 ; end 21 : b

22、egin index0 = 8b00000100 ; end 22 : begin index0 = 8b00000010 ; end 23 : begin index0 = 8b00000010 ; end 24 : begin index0 = 8b00010000 ; end 25 : begin index0 = 8b00010000 ; end 26 : begin index0 = 8b00001000 ; end 27 : begin index0 = 8b00001000 ; end 28 : begin index0 = 8b00000100 ; end 29 : begin

23、 index0 = 8b00000100 ; end 30 : begin index0 = 8b00000010 ; end 31 : begin index0 = 8b00000010 ; end default : begin end endcase end else begin index0 = index2 ; end end endmodule附錄2：音調發(fā)生源程序清單module tone_a (index, code, high, tone0); input7:0 index; output6:0 code; reg6:0 code; output high; reg high

24、; output10:0 tone0; reg10:0 tone0; always (index) begin : search case (index) 8b00000001 : begin tone0 = 773 ; code = 7b1001111 ; high = 1b1 ; end 8b00000010 : begin tone0 = 912 ; code = 7b0010010 ; high = 1b1 ; end 8b00000100 : begin tone0 = 1036 ; code = 7b0000110 ; high = 1b1 ; end 8b00001000 : begin tone0 = 1116 ; code = 7b1001100 ; high = 1b1 ; end 8b00010000 : begin tone0 = 1197 ; code = 7b0100100 ; high = 1b1 ; end 8b00100000 : begin tone0 = 1290 ; code = 7b0100000 ; high = 1b0 ; end 8b01000000 : begin tone0 = 1372 ; code = 7b0001111 ; high = 1b0 ; end 8b10000000 : begin tone0 = 1410