基于fpga技术的微波炉控制器论文

基于fpga技术的微波炉控制器论文内容摘要：

，所以能设计出一款方便安全操作的微波炉是非常有必要的。 南昌工程学院（本）毕业设计（论文） 3 第 二章 概述 VHDL简介 随着 VLSI、 EDA（ Electronic Design Automation ） 工具的迅速发展，用户系统的设计从单纯的 ASIC（ Application Specific Integrated Circuit） 设计向着系统单片化SOC（ System On a Chip） 设计的方向发展。 同时网络技术的发展，共享 IP 知识产权的开放式系统设计成为新模式，芯片工艺物理设计与系统设计相分离，使用户系统设计人员可直接从事芯片设计。 多种技术的融合，系统的功能复合化程度越来越高；对系统设计方法学和工具的要求更高；系统设计日趋软件硬化、硬件软化，并使两者得到了有机的融合，形成了更为强大的 ESDA（ Electronic System Design Automation ）。 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language） 是 IEEE（ Institute of Electrical and Electronics Engineers） 标准的硬件描述语言，是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。 本篇介绍 VHDL 的语法基础、用 VHDL 进行系统设计 的 基本方法、 以及 VHDL 的设计实例等。 从宏观的角度看， VHDL 的语法构成了程序的各组成部分；微观上看 VHDL 的语法是各种语句的运用细节。 本章在 VHDL 的特性之后，从这两个角度 简要介绍 VHDL的语法基础。 硬件描述语言 HDL（ Hardware Description Language）诞生于 1962 年。 HDL 是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。 主要用于描述离散电子系统的结构和行为。 与 SDL（ Software Description Language） 相似，经历了从机器码（晶体管和焊接）、汇编（网表）、到高级语言（ HDL）的过程。 20 世纪 80 年代美国国防部开发 Very High Speed Integrated Circuit—VHSIC，用于描述集成电路的结构 和功能。 此后，硬件描述语言向标准化方向发展， 1987年成为 IEEE Standard 1076，称为 VHDL 语言。 它也是美国国防部标准（ MILSTD454L）。 1993年该标准增修为 IEEE1164 标准。 1996 年，再次加入电路合成的标准程序和规格，成为 标准。 1995 年 VerilogHDL 也成为 IEEE 标准。 VHDL 与 VerilogHDL 一起成为业界主选的硬件描述语言。 VHDL 的特点 应用 VHDL 进行系统设计，有以下几方面的特点。 第二章 概述 4 （一）功能强大 VHDL 具有功能强 大的语言结构。 它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。 并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。 VHDL 是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。 （二）可移植性 VHDL 语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的 EDA 工具支持。 它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。 此外，通过更换库再重新综合很容易移植为ASIC 设计。 （三）独立性 VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。 设计者可以不懂硬件的结构， 也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的 CPLD、 FPGA 及各种门阵列器件。 （四）可操作性 由于 VHDL 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。 （五）灵活性 VHDL 最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语句和库函数。 使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。 所以，即使在远离门级的高层次（即使设计尚未完成时），设计者就 能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。 VHDL 的设计步骤 采用 VHDL 的系统设计，一般有以下 6 个步骤。 1）要求的功能模块划分； 2） VHDL 的设计描述（设计输入）； 3）代码仿真模拟（前仿真）； 4）计综合、优化和布局布线； 5）布局布线后的仿真模拟（后仿真）； 6）设计的实现（下载到目标器件）。 南昌工程学院（本）毕业设计（论文） 5 VHDL 的设计简述 VHDL 描述数字电路系统设计的行为、功能、输入和输出。 它在语法上与现代编程语言相似，但包含了许多与硬件有特殊关系的结构。 VHDL 将一个设计称 为一个实体 Entity（元件、电路或者系统），并且将它分成外部的可见部分（实体名、连接）和内部的隐藏部分（实体算法、实现）。 当定义了一个设计的实体之后，其他实体可以利用该实体，也可以开发一个实体库。 所以，内部和外部的概念对系统设计的 VHDL 是十分重要的。 外部的实体名或连接由实体声明 Entity 来描述。 而内部的实体算法或实现则由结构体 Architecture 来描述。 结构体可以包含相连的多个进程 process 或者组建 ponent等其他并行结构。 需要说明的是，它们在硬件中都是并行运行的。 VHDL 程序设计 的基本结构如下： 库、程序包 实体 Entity 结构体 Architecture： 进程 process、 组件 ponent 等 配置 Configuration 表格 程序设计的基本结构 一个实体可以对应一个或者多个结构体。 结构体可以包含一个或者多个进程或者组件。 VHDL 的描述风格 设计实体的逻辑功能由 VHDL 的结构体具体描述。 用户可以使用不同程度的语句类型和抽象方式来描述不同程度的设计。 例如系统级的、板 级的、芯片级的或者模块级的设计。 对于相同的逻辑行为可以有不同的语句表达方式。 在 VHDL 结构体中这种不同的描述方式或者说建模方法，通常可归纳为行为（ Behavioral）级描述、数据流（ Dataflow）级描述和结构（ Structural）级描述。 （一）行为级描述 通过一组串行的 VHDL 进程，反映设计的功能和算法，而没有直接指明或涉及实现这些行为的硬件结构，包括硬件特性、连线方式和逻辑行为方式。 行为级描述主要指顺序语句描述，即通常是指含有进程的非结构化的逻辑描述。 第二章 概述 6 （二）数据流级描述 将数据看成从设计的输入 端流到输出端，反映从输入数据到输出数据所发生的立即变换。 数据流描述主要是指非结构化的并行语句描述；是建立在用并行信号赋值语句描述基础上的。 数据流描述方式可比较直观地表达底层逻辑行为。 （三）结构级描述 将设计看成多个功能块的相互连接，并且主要通过功能块的组件例化来表示。 结构级描述方式采用了结构化、模块化的设计思想，适合于大型复杂性设计。 VHDL 通过这三种描述方法或称描述风格，从不同的侧面描述结构体的行为方式。 其中，行为描述的抽象程度最高，最能体现 VHDL 描述高层次结构和系统的能力。 正是 VHDL 语言的行 为描述能力使自顶向下的设计方式成为可能。 在实际应用中，为了能兼顾整个设计的功能、资源和性能几方面的因素，通常将以上三种描述方式混合使用。 FPGA介绍 发展历史 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读 存储器 （ PROM）、紫外线可擦除 只读存储器 （ EPROM）和电可擦除只读存储器（ E2PROM）三种。 由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（ PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。 典型的 PLD 由一个 “与 ”门和一个 “或 ”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用 “与 —或 ”表达式来描述，所以 PLD 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有 PAL（可编程阵列逻辑）和 GAL（通用阵列逻辑）。 PAL由一个可编程的 “与 ”平面和 一个固定的 “或 ”平面构成，或门的输出可以通过 触发器 有选择地被置为寄存状态。 PAL 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM 技术和 E2PROM 技术。 还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（ PLA），它也由一个 “与 ”平面和一个 “或 ”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。 在 PAL 的基础上 又发展了一种通用阵列逻辑（ GAL， Generic ArrayLogic），如 GAL16V GAL22V10 等。 它采用了 E＇ PROM 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早期的 PLD 器南昌工程学院（本）毕业设计（论文） 7 件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷， 20 世纪 80 年代中期， Altera 和 Xilinx 分别推出了类似于 PAL结构的扩展型 CPLD（ Complex Programmable Logic Dvice）和与标准门阵列类似的。