ch09 VHDL數(shù)字設(shè)計與優(yōu)化

FPGA設(shè)計與VHDL實現(xiàn)VHDL數(shù)字設(shè)計與優(yōu)化第九章英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心系列叢書普通高等教育”十三五”規(guī)劃教材01流水線設(shè)計流水線設(shè)計流水線設(shè)計是提高所設(shè)計系統(tǒng)運(yùn)行速度的種有效的方法。為了保障數(shù)據(jù)的快速傳輸，必須使系統(tǒng)運(yùn)行在盡可能高的頻率上。但如果某些復(fù)雜邏輯功能的完成需要較大的延時，就會使系統(tǒng)難以運(yùn)行在高的頻率上。在這種情況下，可使用流水線技術(shù)，即在大延時的邏輯功能塊中插入觸發(fā)器，使復(fù)雜的邏輯操作分步完成，減小每個部分的延時，從而使系統(tǒng)的運(yùn)行頻率得以提高。流水線設(shè)計的代價是增加了寄存器邏輯，即增加了芯片資源的耗用。02資源共享資源共享減少系統(tǒng)所耗用的器件資源也是我們進(jìn)行電路設(shè)計時所追求的目標(biāo)，在這方面，資源共享是一個較好的方法，尤其是將些耗用資源較多的模塊進(jìn)行共享，能有效降低整個系統(tǒng)耗用的資源。資源共享的具體效果跟所用的綜合器的性能有關(guān)，有的綜合器并不能有效地實現(xiàn)資源共享，因此多數(shù)時候，需要設(shè)計者在編寫程序時，有意識地進(jìn)行人工處理。資源共享節(jié)省資源的設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：盡量共享復(fù)雜的運(yùn)算邏輯單元。用加括號等方式控制綜合的結(jié)果，實現(xiàn)資源的共享，重用已計算過的結(jié)果。模塊數(shù)據(jù)寬度應(yīng)盡晝小，以能滿足設(shè)計要求為準(zhǔn)。034X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是由4條行線、4條列線組成的鍵盤。4X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤4X4矩陣鍵盤04字符液晶字符液晶常用的字符液晶的是LCD1602,它可以顯示}6x2個5x7大小的點陣字符，模塊的字符存儲器(CharacterGeneratorROM,CGROM)中固化了192個常用字符的字模。1.字符液晶LCD1602及端口市面上的LCD1602基本上是兼容的，區(qū)別只是帶不帶背光，其驅(qū)動芯片都是HD44780及其兼容芯片。LCD1602的接口基本一致，為16引腳的單排插針外接端口。字符液晶LCD1602控制線主要分4類。1.RS:數(shù)據(jù)／指令選擇端，當(dāng)RS=O,寫指令；當(dāng)RS=l,寫數(shù)據(jù)。2.RW:讀／寫選擇端，當(dāng)RW=O,寫指令／數(shù)據(jù)；當(dāng)RW=l,讀狀態(tài)／數(shù)據(jù)。3.EN:使能端，下降沿使指令／數(shù)據(jù)生效。4.DB[O]~DB[7]:8位雙向數(shù)據(jù)線。字符液晶2.LCD1602的數(shù)據(jù)讀寫時序其讀／寫操作時序由使能信號EN完成；對讀／寫操作的識別是判斷RW信號上的電平狀態(tài)，當(dāng)RW為0時向顯示數(shù)據(jù)存儲器寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在使能信號EN的上升沿被寫入，當(dāng)RW為1時將液晶模塊的數(shù)據(jù)讀入；3.LCD1602的指令集LCD1602的讀／寫操作、屏幕和光標(biāo)的設(shè)置都是通過指令來實現(xiàn)的，共支持11條控制指令，這些指令可查閱相關(guān)資料，需要注意的是，液晶模塊屬于慢顯示設(shè)備，因此，在執(zhí)行每條指令之前，一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平（表示不忙），否則此指令失效。字符液晶4.LCD1602的字符集LCD1602模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)中固化了192個常用字符的字模，其中常用的128個阿拉伯?dāng)?shù)字、大小寫英文字母和常用符號等。5.LCD1602的初始化LCD1602開始顯示前需要進(jìn)行必要的初始化設(shè)置，包括設(shè)置顯示模式、顯示地址等。05漢字圖形點陣液晶漢字圖形點陣液晶圖形點陣液晶顯示模塊廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)控制、通信和家用電器中。本節(jié)用FPGA控制LCD12864B漢字圖形點陣液晶實現(xiàn)字符和圖形的顯示。1.LCD12864B的外部引腳特性LCD12864B是一種內(nèi)部含有國標(biāo)級、二級簡體中文字庫的點陣型圖形液晶顯示模塊，內(nèi)置了8192個中文漢字(16x16點陣）和128個ASCII字符集(8xl6點陣），它在字符顯示模式下可以顯示8x4個16xl6點陣的漢字，或16X4個16X8點陣的英文(ASCII)字符，它也可以在圖形模式下顯示分辨率為128x64的二值化圖形。漢字圖形點陣液晶2.LCD12864B的數(shù)據(jù)讀寫時序如果LCD12864B液晶模塊工作在8位并行數(shù)據(jù)傳瑜模式(PSB=l、RST=l)下，其數(shù)據(jù)讀寫時序與上節(jié)中的LCD1602B數(shù)據(jù)讀寫時序完全一致。LCD模塊的讀／寫操作時序由使能信號E完成；對讀／寫操作的識別是判斷RfW信號上的電平狀態(tài)，當(dāng)RfW為0時向顯示數(shù)據(jù)存儲器寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在使能信號E的上升沿被寫入，當(dāng)RfW為1時將液晶模塊的數(shù)據(jù)讀入；RS信號用于識別數(shù)據(jù)總線DBO~DB7上的數(shù)據(jù)是指令代碼還是顯示數(shù)據(jù)。漢字圖形點陣液晶3.LCD12864B的指令集LCD12864B液晶模塊有自己的套用戶指令集，用戶通過這些指令來初始化液晶模塊并選擇顯示模式。LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴(kuò)展指令集，并且需要分成上下兩個半屏設(shè)置起始地址，上半屏垂直坐標(biāo)為Y:8'h80~9'h9F02行），水平坐標(biāo)為X:8'h80;下半屏垂直坐標(biāo)和上半屏相同，而水平坐標(biāo)為X:8'h88。漢字圖形點陣液晶4.用VHDL驅(qū)動LCD12864B實現(xiàn)漢字和字符的顯示用VHDL編寫LCD12864B驅(qū)動程序，實現(xiàn)漢字和字符的顯示。06VGA顯示器VGA顯示器VGA顯示原理與時序1.VGA顯示的原理與模式VGA(VideoGraphicsArray)是IBM在1987年推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并迅速在彩色顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，后來其他廠商在VGA基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充使其支持更高分辨率，這些擴(kuò)充的模式稱為SuperVGA,簡稱SVGA。VGA顯示器2.D-SUB接口主機(jī)（如計算機(jī)）與顯示設(shè)備間通過VGA接口（也稱D-SUB接口）連接，主機(jī)的顯示信息，通過顯卡中的數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)镽、G、B三基色信號和行、場同步信號并通過VGA接口傳輸?shù)斤@示設(shè)備中。3.C4_MB開發(fā)板的FPGA與VGA接口電路C4_MB上的VGA接口通過18位信號線與FPGA連接。VGA顯示器4.VGA顯示的時序CRT(CathodeRayTube)顯示器的原理是采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在CRT顯示器上從左到右、從上到下做有規(guī)律的移動，其水平移動受水平同步信號HSYNC控制，垂直移動受垂直同步信號VSYNC控制。掃描方式多采用逐行掃描。VGA顯示器VGA彩條信號發(fā)生器1.VGA彩條信號發(fā)生器頂層設(shè)計三基色信號R、G、B只用1bit表示可顯示8種顏色。2.用IP核aitpll產(chǎn)生25.2MHz時鐘信號3.引腳約束與編程下載VGA顯示器VGA圖像顯示與控制如果VGA顯示真彩色BMP圖像，則需要R、G、B信號各8位（即24位）表示一個像素值，多數(shù)情況下采用32位表示一個像素值，為了節(jié)省存儲空間，可采用高彩圖像，即每個像素值由16位表示，R、G、B信號分別使用5位、6位、5位，比真彩色圖像數(shù)據(jù)量減少一半，同時又能滿足顯示效果。VGA顯示器1.VGA圖像數(shù)據(jù)的獲取2.VGA圖像顯示頂層源程序3.ROM模塊的定制4.引腳鎖定與下載07音樂演奏電路音樂演奏電路音樂演奏實現(xiàn)的方法1.音調(diào)的控制頻率決定了音調(diào)高低。所有不同頻率的信號都是從同一個基準(zhǔn)頻率分頻而得到的。由于音階頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。音樂演奏電路2.音長的控制音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。本例演奏的梁祝片段，最短的音符為四分音符，如果將全音符的持續(xù)時間設(shè)為1S,則只需要再提供一個4Hz的時鐘頻率即可