eda課程設(shè)計先進(jìn)先出FIFO緩沖器

1、學(xué)生姓名：專業(yè)班級:指導(dǎo)教師：工作單位:信息工程學(xué)院4、2016 年 01 月22日，機(jī)房檢查設(shè)計成果，提交設(shè)計說明書及答辯。題目:8 X 9先進(jìn)先出（FIFO ）緩沖器設(shè)計目的根據(jù)設(shè)計要求，完成對8 X 9先進(jìn)先出（FIFO ）緩沖器的設(shè)計。進(jìn)一步加強(qiáng)對 Quartus n的應(yīng)用和對VHDL語言的使用。9位字深，8位字寬；當(dāng)讀信號ready有效時，F(xiàn)IFO的 的輸出處于高阻態(tài)；當(dāng)寫信號 write有效時，8位寬的寄二、設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計一個8 X 9先進(jìn)先出（FIFO ）緩沖器，輸出data_out使能；當(dāng)ready無效時，F(xiàn)IFO存器進(jìn)行寫操作，信號 rdinc和wrinc被用來作為寄存器

2、讀和寫指針遞增，以指示該位寄存器的讀和寫。信號rdptclr和wrptclr復(fù)位讀寫指針指向FIFO的第一個寄存器。data_in是將被載入到一個寄存器的數(shù)據(jù)。掌握Quartus n的操作和使用方法。利用Quartus n軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真分析。三、初始條件CPLD,按鍵，時鐘信號，撥碼開關(guān)等四、時間安排1、2016 年 01 月11日，課程設(shè)計任務(wù)布置、選題、查閱資料。2、2016 年 01 月13日，設(shè)計，軟件編程、仿真和調(diào)試。3、2016 年 01 月16日至2015年01月21日，設(shè)計的硬件調(diào)試。指導(dǎo)教師簽名： 2016年 01月22日系主任（或負(fù)責(zé)教師）簽名： 2016年 0

3、1月 22日摘要 .緒論.1. 設(shè)計的內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計的目的1.2 設(shè)計任務(wù)要求2.FIFO .2.1FIFO 的使用2.2FIFO 的參數(shù)2.3FIFO 的分類及設(shè)計3. 先進(jìn)先出緩存器設(shè)計 .3.1 設(shè)計思想3.2 各部分模塊3.2.1先入先出緩存器3.2.2消抖電路3.2.3分頻電路3.2.4頂層原理圖4. 仿真及硬件調(diào)試 .4.1 緩沖器仿真4.2 緩存器硬件測試5.心得體會 .5. 參考文獻(xiàn) .附錄 .目錄錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤 !未指定書簽。錯誤 !未指定書簽。錯誤 !未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定

4、書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。錯誤! 未指定書簽。摘要本文介紹了先進(jìn)先出（FIFO）緩存器的設(shè)計方法，主要闡述如何使用新興的EDA 器件取代傳統(tǒng)的電子設(shè)計方法。利用 FPGA 的可編程性，擁有簡潔而又多變的設(shè)計 方法。本設(shè)計實現(xiàn)了先進(jìn)先出緩存器的一些基本功能，也把一些新的思路加入到設(shè) 計中。主要包括采用了 FPGA芯片，使用Quartusn中的VHDL語言進(jìn)行編程。VHDL是一個標(biāo)

5、準(zhǔn)語言，其具有良好的移植性，值得本設(shè)計更為靈活，從而更有利于產(chǎn)品 升級。關(guān)鍵詞：VHDL ; FIFO;緩存器；Quartusn；緒論當(dāng)前電子系統(tǒng)的設(shè)計正朝著速度快，容量大，體積小，質(zhì)量輕，用電省的方向發(fā)展。推動該潮流迅速發(fā)展的決定性因素就是使用了現(xiàn)代化的EDA設(shè)計工具。EDA是電子設(shè)計自動化（ElectronicDesignAutomation）的縮寫，是90年代初，從CAD （計算機(jī)輔助沒計）、CAM （算機(jī)輔助制造）、CAT（計算機(jī)輔助測試）和CAE（計算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計算機(jī)為工具，在EDA 軟件平臺上， 對以硬件描述語言 HDL 為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的

6、設(shè)計文件 自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯行局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作 1。設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式， 即利用硬件描述語言來完成對系統(tǒng)硬件功 能的描述，在 EDA 工具的幫助下就可以得到最后的設(shè)計結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是 硬件，但整個設(shè)計和修改過程如同完成軟件設(shè)計一樣方便和高效。高速發(fā)展的 CPLD/FPGA 器件又為 EDA 技術(shù)的不斷進(jìn)步奠定可堅實的物質(zhì) 基礎(chǔ)。 CPLD/FPGA 器件更廣泛的應(yīng)用及廠商間的競爭，使得普通的設(shè)計人員獲 得廉價的器件和 EDA 軟件成為可能。VHDL 是一種全方位的硬件描述語言，

7、 包括系統(tǒng)行為級、 寄存器傳輸級和邏輯門級多個設(shè)計層次， 支持結(jié)構(gòu)、 數(shù)據(jù)流和行為 3 種描述形式的混合描述， 因此 路設(shè)計過程都可以用 VHDL 來完成。另外， VHDL 還有以下優(yōu)點： VHDL 的寬 范圍描述能力使它成為高層次設(shè)計的核心， 將設(shè)計人員的工作重心轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng) 功能的實現(xiàn)和調(diào)試上， 只需要花較少的精力用于物理實現(xiàn)； VHDL 可以用簡潔明 確的代碼描述來進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計， 靈活且方便， 而且也便于設(shè)計結(jié)果的 交流、保存和重用； VHDL 的設(shè)計不依賴于特定的器件，方便了工藝的轉(zhuǎn)換。VHDL 幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電1. 設(shè)計的內(nèi)容

8、及要求1.1 設(shè)計的目的根據(jù)設(shè)計要求，完成對8X 9先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器的設(shè)計。進(jìn)一步加強(qiáng)對Quartusn的應(yīng)用和對 VHDL語言的使用。1.2 設(shè)計任務(wù)要求1.設(shè)計一個8x 9先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，9位字深，8位字寬；當(dāng)讀信號ready 有效時，F(xiàn)IFO的輸出data_out使能；當(dāng)ready無效時，F(xiàn)IFO的輸出處于高阻態(tài)； 當(dāng)寫信號write有效時，8位寬的寄存器進(jìn)行寫操作，信號rdinc和wrinc被用來 作為寄存器讀和寫指針遞增， 以指示該位寄存器的讀和寫。 信號 rdptclr 和 wrptclr 復(fù)位讀寫指針指向FIFO的第一個寄存器。data_in是將被載入到一個

9、寄存器的數(shù)。2.掌握Quartusn的操作和使用方法。3.利用Quartusn軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真分析。2.FIFOFIFO(FirstI nFirstOut)簡單說就是指先進(jìn)先出。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代 FIFO 芯片容量越來越大，體積越來越小，價格越來越便宜。作為一種新 型大規(guī)模集成電路， FIFO 芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù) 采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以及多機(jī)處理系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。2.1FIFO 的使用FIFO 一般用于不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸， 比如FIFO的一端時AD數(shù)據(jù)采 集，另一端時計算機(jī)的PCI總線，假設(shè)其AD采集的速率為16

10、位100KSPS,那 么每秒的數(shù)據(jù)量為100Kxi6bit=1.6Mbps,而PCI總線的速度為33MHz，總線寬 度32bit，其最大傳輸速率為1056Mb ps在兩個不同的時鐘域間就可以采用 FIFO來作為數(shù)據(jù)緩沖。另外對于不同寬度的數(shù)據(jù)接口也可以用FIFO,例如單片機(jī)位8位數(shù)據(jù)輸出，而DSP可能是16位數(shù)據(jù)輸入，在單片機(jī)與DSP連接時就可以使 用 FIFO 來達(dá)到數(shù)據(jù)匹配的目的。2.2FIFO 的參數(shù)FIFO 的寬度：也就是英文資料里?？吹降?THEWIDTH ，它只的是 FIFO次讀寫操作的數(shù)據(jù)位，就像 MCU有8位和16位，ARM32位等等，F(xiàn)IFO的寬度在單片成品 IC 中是固定的

11、，也有可選擇的，如果用 FPGA 自己實現(xiàn)一個 FIF o,其數(shù)據(jù)位，也就是寬度是可以自己定義的。FIFO的深度：THEDEEPTH，它指的是FIFO可以存儲多少個N位的數(shù)據(jù)(如果寬度為N)。如一個8位的FIFO，若深度為8,它可以存儲8個8位的數(shù)據(jù), 深度為12,就可以存儲12個8位的數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO的深度可大可小。一般來說根 據(jù)電路的具體情況，在兼顧系統(tǒng)性能和 FIFO 成本的情況下估算一個大概的寬度 和深度就可以了。而對于寫速度慢于讀速度的應(yīng)用， FIFO 的深度要根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和讀出數(shù)據(jù)的由那些具體的要求來確定。在FIFO實際工作中,的滿/空標(biāo)志可以控制數(shù)據(jù)的繼續(xù)寫入或讀出。以阻止以

12、阻止?jié)M標(biāo)志： FIFO 已滿或?qū)⒁獫M時由 FIFO 的狀態(tài)電路送出的一個信號，F(xiàn)IFO 的寫操作繼續(xù)向 FIFO 中寫數(shù)據(jù)而造成溢出( overflow) 。空標(biāo)志： FIFO 已空或?qū)⒁諘r由 FIFO 的狀態(tài)電路送出的一個信號，F(xiàn)IFO 的讀操作繼續(xù)從 FIFO 中讀出數(shù)據(jù)而造成無效數(shù)據(jù)的讀出( underflow) 。讀時鐘：讀操作所遵循的時鐘，在每個時鐘沿來臨時讀數(shù)據(jù)。寫時鐘：寫操作所遵循的時鐘，在每個時鐘沿來臨時寫數(shù)據(jù)。讀指針：指向下一個讀出地址。讀完后自動加1。寫指針：指向下一個要寫入的地址的，寫完自動加1。讀寫指針其實就是讀寫的地址， 只不過這個地址不能任意選擇， 而是連續(xù)的。2

13、.3FIFO 的分類及設(shè)計根均FIFO工作的時鐘域，可以將 FIFO分為同步FIFO和異步FIFO。同步FIFO 是指讀時鐘和寫時鐘為同一個時鐘。在時鐘沿來臨時同時發(fā)生讀寫操作。異步 FIFO 是指讀寫時鐘不一致，讀寫時鐘是互相獨立的。其連接模式如圖 2.1FIFO 設(shè)計的難點在于怎樣判斷 FIFO 的空/滿狀態(tài)。為了保證數(shù)據(jù)正確的寫 入或讀出，而不發(fā)生益處或讀空的狀態(tài)出現(xiàn)，必須保證 FIFO 在滿的情況下，不能進(jìn)行寫操作。在空的狀態(tài)下不能進(jìn)行讀操作。怎樣判斷FIFO 的滿/空就成了 FIFO 設(shè)計的核心問題。一般是異步 FIFO 有空/滿標(biāo)志所產(chǎn)生問題，但是在本次設(shè) 計中暫不討論這個問題。圖

14、 2.1FIFO 連接模式3 先進(jìn)先出緩存器設(shè)計先進(jìn)先出法是指根據(jù)先入庫先發(fā)出的原則， 對于輸出的數(shù)據(jù)以先輸入存儲 器的數(shù)據(jù)為依據(jù)。3.1 設(shè)計思想在緩沖器內(nèi)部定義一個 8 9 的存儲空間用于暫存數(shù)據(jù)。初始狀態(tài)讀寫指針都指 向 0 號數(shù)寄存器（共 8 個）。當(dāng)輸入通道打開時，每來一個脈沖（由外部按鍵提 供），向緩沖期內(nèi)輸入一個 9 位的數(shù)，與此同時內(nèi)部寄存器讀指針加 1，準(zhǔn)備接受下一個需要暫存的數(shù)，下一個脈沖到來，再存一個數(shù)，讀指針再加1當(dāng)輸出通道打開時，每來一個脈沖輸出一個 9 位數(shù)，寫指針加 1，準(zhǔn)備輸出下一個 9位數(shù)，同理進(jìn)行下一個數(shù)的輸出由于輸入 /輸出數(shù)據(jù)是按需進(jìn)行的，故設(shè)計脈沖由按

15、鍵提供， 為更好的進(jìn)行控制， 加一個消抖電路使其每按一次內(nèi)部計數(shù)確 定加 1。3.2 各部分模塊本設(shè)計共由三個部分組成：先入先出緩存器、消抖模塊、分頻器。3.2.1 先入先出緩存器這是整個設(shè)計的核心模塊，其輸入輸出端口設(shè)置如下：ready：控制輸出通道，當(dāng)其為 1時，輸出通道打開，可以進(jìn)行讀操作。writey:控制輸入通道，當(dāng)其為 1'時，輸入通道打開，可以進(jìn)行寫操作。rdptclr，wrptclr:緩沖器內(nèi)部讀寫指針，用于規(guī)范內(nèi)部寄存器（編號07）的使用，兩指針初始狀態(tài)都指向 0 寄存器。當(dāng)寫入第一個數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)存入 0 寄存器，同時寫指針加 1，指向下一個寄存器， 準(zhǔn)備接受下一個將

16、被寫入的數(shù)據(jù)。在需要讀出數(shù)據(jù)時， 打開輸出通道， 同時由脈沖控制輸出數(shù)據(jù)， 每輸出一個數(shù)據(jù)， 讀指針加 1，準(zhǔn)備輸出下一個數(shù)據(jù)，同時輸出數(shù)據(jù)以輸入數(shù)據(jù)的個數(shù)為頂限。elk:脈沖控制輸入，控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出。data in：放置將被輸入的數(shù)據(jù)。data_ou：t 用于輸出數(shù)據(jù)的通道。readit：控制讀取輸入數(shù)據(jù)。編寫的程序見附錄。生成元件后如圖 3.1 所示：圖 3.1FIFO 元件圖3.2.2 消抖電路本設(shè)計用外部按鍵產(chǎn)生脈沖來控制輸入輸出數(shù)據(jù)的個數(shù)， 每一個脈沖對應(yīng)一 個數(shù)據(jù)，同時對應(yīng)內(nèi)部寄存器的移位。 為了保證數(shù)據(jù)輸入順序與數(shù)據(jù)輸出順序完 全相同，要保證每按鍵一次只產(chǎn)生一個脈沖。 通常

17、的按鍵在閉合及斷開的瞬間均 伴隨有一連串的抖動。抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms10ms為確保電路對按鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除按鍵抖動。軟件消抖的方法為：在檢測出鍵閉合保持后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生5ms10ms的延時，讓前延抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下。當(dāng)檢測到按鍵釋放后，也要給5ms10ms的延時,待后沿抖動消失才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。本課題中用2個 D 觸發(fā)器和一個 2輸入與門聯(lián)合實現(xiàn)。用程序分別編寫 D 觸發(fā)器和 2 輸入與門，生成元件，供最 后頂層原理圖使用。 D 觸發(fā)器的程序見附錄，消抖模塊的電路如圖 3.2所示：

18、圖 3.2 消抖模塊原理圖3.2.3 分頻電路為了配合消抖電路，取延時為5ms,即使得采樣頻率為5ms,由此根據(jù)f=1/T , 算得脈沖頻率為200Hz，而實驗箱上提供的是20M的時鐘頻率，故要對時鐘進(jìn) 行分頻。程序中用內(nèi)部計數(shù)器計算到來的脈沖數(shù)， 脈沖數(shù)小于 50000時輸出為 0，否則輸出為 1，同時計到 100000時計數(shù)器清零。同理，將分頻器生成元件，供頂層原理圖使用。生成元件如圖 3.3 所示：圖 3.3 分頻器元件圖3.2.4 頂層原理圖以上所描述模塊的程序編寫均在同一工程下，由程序生成的元件也在該工 程下。用前面所介紹的方法， 在該工程下再建一原理圖作為頂層， 將所需的元件 按照

19、要求進(jìn)行連線， 加入輸入輸出處端口并改名。 保存原理圖， 并將原理圖置為 頂層文件。本設(shè)計的整體原理圖如圖 3.4 所示：圖 3.4 整體原理圖4 仿真及硬件調(diào)試4.1 緩沖器仿真用前面所描述的方法進(jìn)入仿真界面，得到某個激勵條件下的仿真圖如圖4.1 ：圖 4.1 仿真圖4.2 緩存器硬件測試按照軟件用法中的步驟將程序?qū)雽嶒炏渖希?接通電源， 用按鍵來控制它的脈沖 輸入，用撥碼開關(guān)來控制它的輸入序列， 用發(fā)光二極管作為它的輸出， 以觀察燈 的的變化來觀察 FIFO 的輸出。在調(diào)試過程中出現(xiàn)了部分問題，由于輸入的管腳 比較多，也用了很多撥碼開關(guān)，在設(shè)置時，要小心區(qū)分。5 心得體會通過這次的課設(shè)，

20、我認(rèn)識到了 Quartusn軟件的功能非常強(qiáng)大，對于很多關(guān)于數(shù)電方面的元器件都可以用它來實現(xiàn)， 這使得我們在使用的時候非常方便及多 變。我也熟悉了 Quartusn的工作環(huán)境，可以很熟練的對 Quartusn進(jìn)行常規(guī)的操作，快速進(jìn)行程序編輯和仿真。本文次課設(shè)利用Quartusn設(shè)計FIFO先進(jìn)先出緩 存器，方法簡單、快捷。在本次的課程設(shè)計中，由于沒有完全讀懂課設(shè)要求，導(dǎo)致設(shè)計出來的 FIFO的功能沒有完全達(dá)到要求， 使我對自己的學(xué)習(xí)態(tài)度有了反思。 讀課設(shè)要求， 寫程 序，直到完成硬件調(diào)試都需要認(rèn)真對待， 每一步都不能放松， 否則都可能導(dǎo)致整 個設(shè)計失敗。參考文獻(xiàn)1張亦華,延明,肖冰.數(shù)字邏輯設(shè)

21、計實驗技術(shù)與 EDA 工具.北京：北京郵電大學(xué)出 版社,20032陳小毛，胡機(jī)秀新編數(shù)字電路與 EDA 技術(shù)北京：國防工業(yè)出版社， 20083夏路易.基于 EDA 的電子技術(shù)課程設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社，20094宋嘉玉，孫麗霞 EDA 實用技術(shù)北京：人民郵電出版社，2006.5齊洪喜，陸穎 VHDL 電路設(shè)計實用技術(shù)北京：清華大學(xué)出版社， 2004.附錄FIFIO的程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitykesheisport(clk ， ready， writey ， rea

22、dit， rdptclr ， wrptclr:instd_logic;data_out:outstd_logic_vector(8downto0);data_in:instd_logic_vector(8downto0);end;architecturearhofkesheiscomponentnclkport(clk:instd_logic;clk1:bufferstd_logic);endcomponent;componentanjianport(clk:instd_logic;d:instd_logic_vector(0to4);q:outstd_logic_vector(0to4);e

23、ndcomponent;componentcpuport(q:std_logic_vector(0to4);data_out:outstd_logic_vector(8downto0);data_in:instd_logic_vector(8downto0);endcomponent;signalq1:std_logic_vector(0to4);signalc1:std_logic;begina1:nclkportmap(clk=>clk,clk1=>c1);a2:anjianportmap(clk=>c1,d(0)=>ready,d(1)=>writey,d(

24、2)=>rdptclr,d(3)=>w rptclr,d(4)=>readit,q=>q1);a3:cpuportmap(q=>q1,data_out=>data_out,data_in=>data_in);end ;cpu 程序：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitycpuis port(q:std_logic_vector(0to4);data_out:outstd_logic_vector(8downto0);data_in:inst

25、d_logic_vector(8downto0);end;architecturearhofcpuis signalrdinc:integerrange0to7;signalwrinc:integerrange0to7;signaldata0,data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7:std_logic_vector(8downto0 );begin p1:process(q)beginifq(2)='1'thenrdinc<=0;elsifq(0)='1'then ifrising_edge(q(4)then c

26、aserdincis when0=>data_out<=data0;when1=>data_out<=data1;when2=>data_out<=data2;when3=>data_out<=data3;endcase;when5=>data_out<=data5;when6=>data_out<=data6;when7=>data_out<=data7;endcase;rdinc<=rdinc+1;endif;elsifq(0)='0'then data_out<="ZZZZZZZZZ"endif;endprocess;p2:process(q)beginifq(3)='1'thenwrinc<=0;elsifq(3)='0'thenifrising_edge(q(1)then casewrincis when0=>data0<=data_in;when1=>data1&l