计算机组成原理课程设计报告-基于vhdl的彩灯控制器设计与实现

计算机组成原理课程设计报告-基于vhdl的彩灯控制器设计与实现内容摘要：

e Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一种工业标准硬件描述语言。 相比传统的电路系统的设计方法， VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（ Top to Down）和基于库（ LibraryBased）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。 从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用 VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的 CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路（ ASIC）的设计。 用 VHDL 语言进 行数字逻辑电路和数字系统的设计 ,是电子电路设计方法上的一次革命性变革。 与传统设计方法相比 ,VHDL 描述电路行为的算法有很多优点 : (1) 设计层次较高、用于较复杂的计算时 ,能尽早发现存在的问题 ,缩短设计周期。 (2) 独立实现 ,修改方便 ,系统硬件描述能力强。 (3) 可读性好 ,有利于交流 ,适合于文档保存。 (4) VHDL 语言标准、规范、移植性强。 (5) VHDL 类型众多而且支持用户自定义类 型 ,支持自顶而下的设计方法和多种电路的设计。 随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高 ,在现代生活中 , 彩灯作为一种装饰既可以增强人们的感观 ,起到广告宣传的作用 ,又可以增添节日气氛 ,为人们的生活增添亮丽。 用 VHDL 进行设计，首先应该理解， VHDL 语言是一种全方位硬件描述语言，包括系统行为级，寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次。 应充分利用 VHDL“自顶向下”的 基于 VHDL的彩灯控制器设计与实现 第 8 页 共 22 页 设计优点以及层次化的设计概念，层次概念对于设计复杂的数字系统是非常有用的。 整个系统共 有三个输入信号：控制彩灯节奏快慢的基准时钟信号CLK_IN，系统清零信号 CLR，彩灯节奏快慢选择开关 CHOSE_KEY；共有 16 个输出信号 LED[15..0]，分别用于控制十六路彩灯。 据此，我们可将整个彩灯控制器CDKZQ 分为两大部分：时序控制电路 SXKZ 和显示控制电路 XSKZ。 当各个模块均完成上述操作之后，即可利 MAXPLLUS2 的原理图输入，调用各个元器件 (底层文件 )，以原理图的形式形成最后的十六路彩灯显示系统 (顶层文件 )，并且进行仿真。 仿真通过，即可下载到指定的 CPLD 芯片里面，并进行实际连线，进行最 后的硬件测试。 当然，可以将各个模块所生成的元件符号存放在元件库中，以被其他人或其他的设计所重复调用，以简化后面的设计。 相关技术特征 EDA 是电子设计领域的一场革命 ,它源于计算机辅助设计（ CAD， Computer Aided Design）、计算机辅助制造（ CAM， Computer Aided Made）、计算机辅助测试（ CAT， Computer Aided Test）和计算机辅助工程（ CAE， Computer Aided Engineering）。 利用 EDA 工具 ,电子设计师从概念、算法、协议开始设计电子系统 ,从电路设计、性能分析直到 IC 版图或 PCB 版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。 EDA 代表了当今电子设计技术的最新发展方向 ,其基本特征是设计人员以计算机为工具 ,按照自顶向下的设计方法 ,对整个系统进行方案设计和功能划分 ,由硬件描述语言完成系统行为级设计 ,利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线（ PAR， Place And Route）、 仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载 ,这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法。 作为现代电子系统设计的主导技术 ,EDA 具有两个明显特征：即并行工程（ Concurrent Engineering）设计和自顶向下（ Topdown）设计。 其基本思想是从系统总体要求出发 ,分为行为描述（ Behaviour， Description）、寄存器传输级（ RTL， Register Transfer Level）描述、逻辑综合（ Logic Synthesis）三个层次 ,将设计内容逐步细化 ,最后完成整体设计 ,这是一种全新的设计 思想与设计理念。 基于 VHDL的彩灯控制器设计与实现 第 9 页 共 22 页 2 十六路彩灯控制系统的实现 功能描述 在电路中以 1 代表灯亮 ,以 0 代表灯灭 ,由 0,1 按不同的规律组合代表不同的灯光图案 ,同时使其选择不同的频率 ,从而实现多种图案多种频率的花样功能显示。 在该电路中只需简单的修改程序就可以灵活地调整彩灯图案和变化方式。 下面就以一个十六路彩灯控制系统的实现为例进行简单说明。 此十六路彩灯控制系统设定有六种花样变化 ,这四种花样可以进行自动切换 ,并且每种花样可以选择不同的频率。 设计原理 用 VHDL 进行设计 ,首先应该了解 ,VHDL 语言一种全方位硬件描述语言 ,包括系统行为级 ,寄存传输级和逻辑门级多个设计层次。 应充分利用 DL “自顶向下” 的设计优点以及层次化的设计概层次概念对于设计复杂的数字系统是非常有用它使得人们可以从简单的单元入手 ,逐渐构成庞大而复杂的系统。 首先应进行系统模块的划分 ,规定每一模块的功能以及各个模块之间的接口。 最终设计方案为 :以一个十六路彩灯花样控制器、 一个四频率输出分频器 ,一个四选一控制器和一个时间选择器总共四部分来完成设计。 四选一控制器从分频器选择不同频 率的时钟信号输送到彩灯花样控制器 ,从而达到控制彩灯闪烁速度的快慢 ,时间选择器控制每种速度维持的时间长短。 整个十六路彩灯控制系统设计的模块图如图 1 所示。 基于 VHDL的彩灯控制器设计与实现 第 10 页 共 22 页 图 1 与其它硬件设计方法相比，用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的：具有很强的行为描述能力，支持大规模设计的分解和已有设计的再利用，可读性好，易于修改和发现错误，可以使用仿真器对 VHDL 源代码进行仿真允许设计者不依赖于器件，容易。