EDA課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、EDA課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：用VHDL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)班級：電子1201班學(xué)號：2姓名：方雅菁指導(dǎo)教師：李世平設(shè)計(jì)時(shí)間：2015年1月9日11日27 / 27文檔可自由編輯打印摘要數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的鐘表。與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法有許多種，例如可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘。本設(shè)計(jì)采用賽林思公司的FPGA作為硬件平臺、QUARTUSII作為編寫程序和仿真的平臺來編譯程序并實(shí)現(xiàn)管教鎖定和下載的軟件平臺來實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘。本設(shè)計(jì)的程序用V

2、HDL語言編寫，由本人獨(dú)立設(shè)計(jì)完成。整體采用TOP-TO-DOWN設(shè)計(jì)思路。最頂層采用元件例化的方法，各個(gè)模塊內(nèi)部采用進(jìn)程和狀態(tài)機(jī)來設(shè)計(jì)完成。主要電路為：主控狀態(tài)機(jī)模塊、秒計(jì)數(shù)模塊、分計(jì)數(shù)模塊、時(shí)計(jì)數(shù)模塊、天計(jì)數(shù)模塊、月計(jì)數(shù)模塊、年計(jì)數(shù)模塊、星期計(jì)數(shù)模塊、整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊。關(guān)鍵詞：EDA，數(shù)字鐘，計(jì)數(shù)器，狀態(tài)機(jī)，元件例化，F(xiàn)PGA，VHDL目錄摘要2一、課程設(shè)計(jì)目的4二、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求42.1實(shí)驗(yàn)要求42.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4三、VHDL程序設(shè)計(jì)63.1普通年、月、時(shí)、分、秒的設(shè)計(jì)（基本功能）63.2可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器（天計(jì)時(shí)）設(shè)計(jì)（基本功能）73.3主控模塊設(shè)計(jì)83.4星期模塊（增加功能）113.5鬧鐘模塊

3、（增加功能）123.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)的實(shí)現(xiàn)（增加功能）123.7上下午顯示（增加功能）12四、仿真驗(yàn)證134.1普通計(jì)數(shù)器功能仿真134.2可變天計(jì)時(shí)功能仿真154.3主控部分功能仿真184.4整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能仿真204.5鬧鐘功能仿真204.6星期功能仿真204.7上下午顯示功能仿真214.8綜合功能仿真21五、器件編程下載及設(shè)計(jì)結(jié)果245.1程序總體元件圖245.2 Ucf管腳映射文件24六、總結(jié)26七、參考文獻(xiàn)27一、 課程設(shè)計(jì)目的掌握利用可編程邏輯器件和EDA設(shè)計(jì)工具進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，內(nèi)容包括：l VHDL程序設(shè)計(jì)、輸入在QUARTUSII平臺上用VHDL描述系統(tǒng)的功能l 邏輯綜合將源程序

4、編譯后，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)方案，按照這個(gè)方案進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，生成1個(gè)電路網(wǎng)表文件l 功能仿真檢查自己的設(shè)計(jì)是否達(dá)到和完成要求的邏輯功能l 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)布局、布線及配置，最后生成可以寫到芯片中的目標(biāo)文件l 時(shí)序仿真是適配到選定的芯片后進(jìn)行的仿真，它模擬芯片的實(shí)際動作，仿真時(shí)間模型嚴(yán)格將門級延時(shí)計(jì)算在內(nèi)，可以分析出競爭與冒險(xiǎn)，時(shí)序仿真驗(yàn)證過的電路與實(shí)際電路基本上已致。l 器件編程對器件編程下載二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求2.1實(shí)驗(yàn)要求用VHDL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有帶預(yù)置數(shù)的數(shù)字鐘，具有顯示年月日時(shí)分秒的功能。用6個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)分秒，set按鈕產(chǎn)生第一個(gè)脈沖時(shí)，顯示切換年月日，

5、第2個(gè)脈沖到來時(shí)可預(yù)置年份，第3個(gè)脈沖到來時(shí)可預(yù)置月份，依次第4、5、6、7個(gè)脈沖到來時(shí)分別可預(yù)置日期、時(shí)、分、秒，第 8個(gè)脈沖到來后預(yù)置結(jié)束，正常工作，顯示的是時(shí)分秒。Up為高電平時(shí)，upclk有脈沖到達(dá)時(shí)，預(yù)置位加1.否則減1.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用top-down 模式設(shè)計(jì)。下面介紹一下其優(yōu)點(diǎn)。自頂而下（TOP TO DOWN）的層次化設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)代EDA設(shè)計(jì)中有著明顯的優(yōu)勢，越來越受到設(shè)計(jì)者的歡迎。對于一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，運(yùn)用層次化設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)課題進(jìn)一步細(xì)化，分塊設(shè)計(jì)，條理清晰。另外，在調(diào)試時(shí)可采用逆向調(diào)試方式，即從模塊調(diào)試向總體調(diào)試方向開展調(diào)試工作，使設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題在模塊級就

6、能發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理，這樣就會使一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)變得容易調(diào)試，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。層次化設(shè)計(jì)方法：開始設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)出一個(gè)頂層總框圖（一般稱之為頂層圖），該框圖是由若干個(gè)具有特定功能的源模塊組成。下一步是對這些不同功能的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生這些模塊的原理圖文件或VHDL源文件。對于有些功能復(fù)雜的模塊，全部使用元件庫中的元器件設(shè)計(jì)仍顯復(fù)雜，因此還可以將該模塊繼續(xù)化分為若干個(gè)功能子模塊，這樣就形成模塊套模塊的層次化設(shè)計(jì)方法。這種方法也稱之為自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。圖 1總體框圖如圖2-1所示，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對年、月、日、小時(shí)、分秒的基本基本計(jì)時(shí)外，還實(shí)現(xiàn)了對星期的顯示和基于小時(shí)下的定點(diǎn)報(bào)時(shí)及上下午的判斷。本系統(tǒng)

7、由8個(gè)模塊組成，其中主控模塊負(fù)責(zé)各個(gè)模塊之間的調(diào)度、分析計(jì)算數(shù)字鐘的狀態(tài)、給出相應(yīng)的控制信號。各個(gè)計(jì)數(shù)器功能相似，都具有計(jì)數(shù)、輸出DCB碼、雙向調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)狀態(tài)的功能。三、 VHDL程序設(shè)計(jì)3.1普通年、月、時(shí)、分、秒的設(shè)計(jì)（基本功能）圖 2年、月、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)器元件圖此類計(jì)數(shù)器思路一致，只需改變年月等各進(jìn)制數(shù)，如年為2個(gè)100進(jìn)制計(jì)時(shí)，使之能夠顯示到9999年；月為12進(jìn)制計(jì)時(shí)，表示一年12個(gè)月；小時(shí)計(jì)時(shí)為24進(jìn)制，表示一天有24個(gè)小時(shí)；同理，分秒為60進(jìn)制。具體實(shí)現(xiàn)方法如下表表1普通年月時(shí)分秒端口實(shí)現(xiàn)Clk:Period:0 usOffset:1000 us當(dāng)Set=0時(shí)正常計(jì)時(shí)，使用clk

8、時(shí)鐘在clk時(shí)鐘下正常計(jì)時(shí)Up_down_clockPeriod:0usOffset:1000us當(dāng)Set=1是，使用Up_down_Clock時(shí)鐘Up down端口選擇預(yù)置數(shù)是加1還是-1，當(dāng)為up 時(shí)加，為down時(shí)-1當(dāng)預(yù)置數(shù)加1時(shí)選擇up上升沿當(dāng)預(yù)置數(shù)減1時(shí)選擇up下降沿基本計(jì)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：l 計(jì)數(shù)功能；l BCD輸出計(jì)數(shù)狀態(tài)；l 預(yù)置數(shù)可使年月時(shí)分秒加1，減1；l 計(jì)數(shù)時(shí)鐘可變；l 清零功能。3.2可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器（天計(jì)時(shí)）設(shè)計(jì)（基本功能）圖 3可變天計(jì)時(shí)元件圖此種計(jì)數(shù)器一個(gè)可實(shí)現(xiàn)4種進(jìn)制，現(xiàn)在就出現(xiàn)兩種方法來確定計(jì)數(shù)器進(jìn)制，（1）：將年、月的BCD輸出引到天計(jì)數(shù)器端，可讓天計(jì)

9、數(shù)器自己判斷自己應(yīng)該處于何種進(jìn)制；（2）：將計(jì)算的任務(wù)交給主控制模塊，天計(jì)數(shù)器模塊只負(fù)責(zé)接收主控模塊發(fā)回來的信息來決定計(jì)數(shù)器進(jìn)制。第一種方法不僅增加了此模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、增加了輸入引腳數(shù)而且還增加了模塊之間的耦合度，這是在層次化設(shè)計(jì)時(shí)的大忌，而第二種方法只需在此模塊上添加兩個(gè)引腳然后在模塊內(nèi)部只需根據(jù)這兩個(gè)引腳來選擇進(jìn)制數(shù)。很顯然第二種方法要優(yōu)越于第一種方法。因此選擇第二種方法。如圖所示，可變天計(jì)時(shí)與普通計(jì)時(shí)而言多了一個(gè)sel端口，可以用來改變計(jì)時(shí)的天數(shù)，計(jì)時(shí)的天數(shù)隨著年月的改變而產(chǎn)生變化，共有28，29，30，31天。閏年的二月有29天，平年的2月有28天，1.3.5.7.8.10.12月有

10、31天，其余月份有30天，因此，sel可以顯示當(dāng)前月份的天數(shù)，其余端口與普通計(jì)時(shí)一致端口設(shè)置請看表1，sel的設(shè)置如下表所示表2.sel端口的設(shè)置Sel顯示數(shù)字的含義Sel=00表示天數(shù)為28天Sel=01表示天數(shù)為29天Sel=10表示天數(shù)為30天Sel=11表示天數(shù)為31天此模塊能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：l 計(jì)數(shù)功能；l DCB碼輸出計(jì)數(shù)狀態(tài)功能；l 預(yù)置數(shù)可使天數(shù)加1，減1；l 計(jì)數(shù)時(shí)鐘可變；l 清零功能；l 可變計(jì)數(shù)進(jìn)制功能。3.3主控模塊設(shè)計(jì)圖 4主控模塊元件圖主控模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主控模塊接收外界的輸入并把相應(yīng)的輸入并分析響應(yīng)的輸入把控制信息送給各個(gè)模塊。由

11、于題目要求以用set的脈沖個(gè)數(shù)來確定用戶的調(diào)節(jié)狀態(tài)，set脈沖個(gè)數(shù)于功能如表3所示，所以此部分應(yīng)該用狀態(tài)機(jī)來設(shè)計(jì)完成。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)清晰易于編寫和閱讀。根據(jù)狀態(tài)的不同來給出不同控制的信號。表3 set脈沖個(gè)數(shù)與相應(yīng)功能脈沖個(gè)數(shù)功能0顯示時(shí)分秒和星期1顯示當(dāng)前年月日2修改年份3修改月份4修改日期5修改小時(shí)6修改分7修改秒對于判斷平年和閏年我采用了函數(shù)調(diào)用的方法，在WORK庫里寫了一個(gè)函數(shù)function judge_year這個(gè)函數(shù)的輸入為年信號的位矢量，返回值為boolean型，true代表為閏年，false為平年。具體的判斷方法如下：先判斷年的十位和個(gè)位是不是0如果是0則為整百的年，那么

12、把千位和百位組成一個(gè)兩位數(shù)a，判斷a能不能被4整除，但是除法在VHDL中不可綜合，所以查找資料得如下方法：將a轉(zhuǎn)化成std_logic_vecotr型，然后判斷它的低兩位是不是0，若果是0則能被4整除則本年是閏年；若果不是整百年則按照上面方法轉(zhuǎn)化成std_logic_vecotr型，同樣判斷是否能被4整除，如能被4整除則為閏年。函數(shù)如下：圖 5判斷平潤年函數(shù)對于“大小月”的判斷同樣是在WORK庫里寫了個(gè)函數(shù)judge_month具體函數(shù)如下：圖 6判斷月數(shù)函數(shù)圖 7狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖此模塊能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下：l 記錄set端脈沖個(gè)數(shù)并解析出用戶想要調(diào)節(jié)什么然后把相應(yīng)的模塊設(shè)置為調(diào)節(jié)狀態(tài)；l 根據(jù)年份、

13、月份的輸入分析出此刻天計(jì)數(shù)器應(yīng)該為幾進(jìn)制，并通過sel端把信號送給day_counter（天計(jì)數(shù)器）；l 分析此刻八個(gè)數(shù)碼管應(yīng)顯示的是時(shí)間還是日期并通過time_or_date給出信號以供頂層模塊判斷應(yīng)該顯示什么。3.4星期模塊（增加功能）圖 8星期元件圖星期模塊由一個(gè)7進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，接入的時(shí)鐘脈沖有天計(jì)時(shí)提供，計(jì)時(shí)到達(dá)七后自動還原為1。3.5鬧鐘模塊（增加功能）圖 9鬧鐘報(bào)時(shí)元件圖鬧鐘模塊的功能是如果鬧鐘按鈕按下后，在設(shè)定時(shí)間之后蜂鳴器將自動發(fā)聲。鬧鐘的設(shè)計(jì)其實(shí)也比較簡單也是計(jì)數(shù)器自動發(fā)聲一段時(shí)間無非就是延長幾個(gè)時(shí)鐘周期后再讓cout端清零。此鬧鐘報(bào)時(shí)功能鬧鐘控制時(shí)鐘由秒計(jì)時(shí)的時(shí)鐘接入控制

14、，可精確到秒定時(shí)。3.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)的實(shí)現(xiàn)（增加功能）圖 10整點(diǎn)報(bào)時(shí)元件圖整點(diǎn)報(bào)時(shí)即為把分鐘計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出送到整點(diǎn)報(bào)時(shí)引腳，是之每個(gè)小時(shí)出現(xiàn)一次。3.7上下午顯示（增加功能）本來準(zhǔn)備增加一個(gè)12進(jìn)制顯示小時(shí)數(shù)然后表示上下午表示時(shí)間，但是由于時(shí)間限制，只完成了上下午的顯示，12進(jìn)制未能實(shí)現(xiàn)。上下午顯示只需在程序中加入判斷語句，0-12時(shí)判斷為0，12-24判斷為1，表示上下午。四、 仿真驗(yàn)證本次數(shù)字鐘采用層次化結(jié)構(gòu)編寫，元件例化語句實(shí)現(xiàn)。首先對每個(gè)子模塊單獨(dú)編寫確保正確后，再在頂層中進(jìn)行綜合。4.1普通計(jì)數(shù)器功能仿真以六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，其余進(jìn)制仿真同理可得1. 當(dāng)set=0時(shí)正常計(jì)數(shù)圖 11分

15、秒正常計(jì)數(shù)2. 當(dāng)set=1時(shí)，進(jìn)入預(yù)置數(shù)狀態(tài)1) 當(dāng)up down為高電平時(shí)，預(yù)置數(shù)加1圖 12加1操作2) 當(dāng)up down為低電平時(shí)，預(yù)置數(shù)減1圖 13減1操作3) 計(jì)數(shù)器清零（clr=0）圖 14清零操作二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能仿真圖 15正常計(jì)時(shí)操作十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能仿真當(dāng)set=0時(shí)正常計(jì)數(shù)圖16正常計(jì)數(shù)一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能仿真當(dāng)set=0時(shí)，正常計(jì)數(shù)圖17正常計(jì)數(shù)4.2可變天計(jì)時(shí)功能仿真1. 當(dāng)sel=00時(shí)，天數(shù)為28天圖18天數(shù)為28正常計(jì)時(shí)圖19天數(shù)為28加1操作圖20天數(shù)為28減1操作2. 當(dāng)sel=01時(shí)，天數(shù)為29天圖21天數(shù)為29正常計(jì)時(shí)3. 當(dāng)sel=10時(shí)，天數(shù)為30

16、天圖22天數(shù)為30計(jì)數(shù)4. 當(dāng)sel=11時(shí)，天數(shù)為31天圖23天數(shù)為31計(jì)數(shù)4.3主控部分功能仿真1. 平年閏年部分驗(yàn)證2023年為平年，平年2月有28天圖24平年2月驗(yàn)證2020年為閏年，2月有29天圖25閏年2月驗(yàn)證2. 狀態(tài)及轉(zhuǎn)換驗(yàn)證圖26狀態(tài)及轉(zhuǎn)換圖由圖可見l Set的第一個(gè)脈沖顯示日期（time_or_date為1）；l Set的第二個(gè)脈沖設(shè)置年（set_year為1）；l Set的第三個(gè)脈沖設(shè)置年（set_month為1）；l Set的第五個(gè)脈沖設(shè)置年（set_h為1）；l Set的第六個(gè)脈沖設(shè)置年（set_m為1）；l Set的第七個(gè)脈沖設(shè)置年（set_s為1）；綜上可知狀態(tài)機(jī)

17、設(shè)計(jì)完全正確。4.4整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能仿真圖27整點(diǎn)報(bào)時(shí)4.5鬧鐘功能仿真假設(shè)鬧鐘定時(shí)為8小時(shí)圖28鬧鐘定時(shí)4.6星期功能仿真由于時(shí)鐘最小脈沖以秒計(jì)時(shí)，若要天數(shù)變化則需仿真很長時(shí)間，所以只顯示出星期一圖29星期顯示4.7上下午顯示功能仿真定義上午顯示為0，下午顯示為1圖30上下午顯示4.8綜合功能仿真圖31秒仿真縮小得分鐘仿真圖32分鐘仿真縮小的小時(shí)仿真，并能夠看到整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能圖33小時(shí)與整點(diǎn)報(bào)時(shí)啟用set功能，第一個(gè)脈沖得到時(shí)間顯示到日期顯示，設(shè)初值從2020年1月1日起圖34日期顯示set第二個(gè)脈沖修改年份，預(yù)置數(shù)減1操作，由2020年變?yōu)?019年圖35年修改set第三個(gè)脈沖修改月份，在201

18、8年時(shí)，預(yù)置加1月年圖36月份修改后面的修改同理可得，下圖為設(shè)置了7個(gè)脈沖后的結(jié)果圖圖37綜合仿真五、 器件編程下載及設(shè)計(jì)結(jié)果5.1程序總體元件圖圖 16元件例化圖5.2 Ucf管腳映射文件NET "clk" LOC = "p80" ;NET "clr" LOC = "p182" ;NET "hour_year_one<0>" LOC = "p187" ;NET "hour_year_one<1>" LOC = "p188

19、" ;NET "hour_year_one<2>" LOC = "p189" ;NET "hour_year_one<3>" LOC = "p191" ;NET "hour_year_ten<0>" LOC = "p192" ;NET "hour_year_ten<1>" LOC = "p193" ;NET "hour_year_ten<2>" L

20、OC = "p194" ;NET "hour_year_ten<3>" LOC = "p195" ;NET "minute_month_one<0>" LOC = "p173" ;NET "minute_month_one<1>" LOC = "p174" ;NET "minute_month_one<2>" LOC = "p175" ;NET "minute

21、_month_one<3>" LOC = "p176" ;NET "minute_month_ten<0>" LOC = "p178" ;NET "minute_month_ten<1>" LOC = "p179" ;NET "minute_month_ten<2>" LOC = "p180" ;NET "minute_month_ten<3>" LOC = &quo

22、t;p181" ;NET "ampm_year_hundred<0>" LOC = "p199" ;NET "ampm_year_hundred<1>" LOC = "p200" ;NET "ampm_year_hundred<2>" LOC = "p201" ;NET "ampm_year_hundred<3>" LOC = "p202" ;NET "week_yea

23、r_thousand<0>" LOC = "p203" ;NET "week_year_thousand<1>" LOC = "p204" ;NET "week_year_thousand<2>" LOC = "p205" ;NET "week_year_thousand<3>" LOC = "p206" ;NET "second_day_one<0>" LOC =

24、"p162" ;NET "second_day_one<1>" LOC = "p163" ;NET "second_day_one<2>" LOC = "p164" ;NET "second_day_one<3>" LOC = "p165" ;NET "second_day_ten<0>" LOC = "p166" ;NET "second_day_ten&l

25、t;1>" LOC = "p167" ;NET "second_day_ten<2>" LOC = "p168" ;NET "second_day_ten<3>" LOC = "p172" ;NET "set" LOC = "p77" ;NET "up_down" LOC = "p100" ;NET "up_down_clk" LOC = "p101" ;NET "zhendian" LOC = "p99" ;六、 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)3天，經(jīng)過自己不斷的努力獨(dú)立的完成數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，程序代碼的編寫、調(diào)試仿真、下載。調(diào)試中當(dāng)然會遇到很多困難，但我認(rèn)為遇到這些困難是好事。因?yàn)榻?jīng)歷這些錯(cuò)誤之后很多東西是很難忘記得。它不僅鞏固了以前所學(xué)的知識，而且還能讓我學(xué)習(xí)許多書本上學(xué)不到的東西，進(jìn)一步加深了對EDA的理解，讓我對它產(chǎn)生了無比濃厚的興趣，特別是每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成并仿真通過的時(shí)