用VHDL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案

1 用 言實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案 課程設(shè)計(jì)目的 （ 1） 入 在 臺(tái)上用 （ 2） 邏輯綜合 將源程序編譯后，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 （ 3） 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 （ 4） 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 （ 5）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(dòng)作，仿真時(shí)間模型嚴(yán)格將門級(jí)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。 2 、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 計(jì)任務(wù) 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， 鈕產(chǎn)生第一個(gè)脈沖時(shí)，顯示切換年月日，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。 高電平時(shí)， 脈沖到達(dá)時(shí)，預(yù)置位加 。 （ 1）可以采用與教材上不同的設(shè)計(jì)方法完成以上基 本內(nèi)容。 （ 2）可以在基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加其它功能。 2 3、 序設(shè)計(jì) 個(gè)設(shè)計(jì)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 一， 采用一個(gè)結(jié)構(gòu)體，多個(gè)進(jìn)程的設(shè)計(jì)方法。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，但是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，各個(gè)進(jìn)程的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，而且代碼的可讀性，可移植性較差。 二， 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不易處理。 三， 元件例化的設(shè)計(jì)方法，元件例化使各個(gè)模塊之間分得更加有層次，易于 讀，缺點(diǎn)有可能使各個(gè)模塊之間存在邏輯關(guān)系的沖突。 本課程設(shè)計(jì)，主要采用了元件例化的設(shè) 計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。 頻模塊 直接將實(shí)驗(yàn)箱的頻率用于數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)箱直接給出的 1需要將 1000分頻。本模塊直接采用單進(jìn)程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，本模塊還包括一個(gè)置數(shù)脈沖的設(shè)置 下一次 1， 000 時(shí)顯示時(shí)分秒，為 001 時(shí)顯示年月日，為 010 對年進(jìn)行置數(shù)，為 011對月進(jìn)行置數(shù)，為 100對日進(jìn)行置數(shù)，為 101對時(shí)進(jìn)行置數(shù)，為 110對分進(jìn)行置數(shù)，為 111對秒進(jìn)行置數(shù)， 連接著后面四個(gè)計(jì)數(shù)，置數(shù)，模塊的 以進(jìn)行模塊顯示的選擇。 置的周期為 5 000分頻， 1000 分頻后的 月日計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，置數(shù)時(shí)鐘則直接輸入，連接兩個(gè)置數(shù)模塊。 以下程序是實(shí)體部分 is : : : ) 3 ); 分秒計(jì)數(shù)模塊 時(shí)分秒可選用多進(jìn)程或者單進(jìn)程的方法，多進(jìn)程速度快，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。故本設(shè)計(jì)選用單進(jìn)程方法。當(dāng)秒計(jì)數(shù)到 59 時(shí)向分進(jìn)位，分計(jì)到 59 且秒為 59 時(shí)向時(shí)進(jìn)位，當(dāng)計(jì)到 23 時(shí) 59 分 59 秒時(shí)向天進(jìn)位，同時(shí)對時(shí)分秒進(jìn)行清零。程序中主要使用了 語句。最后驗(yàn)證表明此設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)題目要求的功能。以下是程序的實(shí)體部分 is ); s0, ); m0, ); h0, ); ); : : ); 4 分秒置數(shù)模塊 時(shí)分秒置數(shù)模塊不同于計(jì)數(shù)模塊，置數(shù)模塊我選用了另一個(gè)置數(shù)時(shí)鐘，也可以說是置數(shù)脈沖。時(shí)分秒置數(shù)有使能端口 有效），置數(shù)使能端口 過 時(shí)置數(shù)是減 1 模式 ， 時(shí)是加 1 模式）判定是加 1 還是減 1。當(dāng)輸入長度為三位的 101時(shí)對時(shí)進(jìn)行置數(shù)，當(dāng) 10時(shí)對分進(jìn)行置數(shù)，當(dāng) 11時(shí)對秒進(jìn)行置數(shù)。 時(shí)分秒的置數(shù)實(shí)現(xiàn)方式可有多種方法，可用狀態(tài)機(jī)，多進(jìn)程和單進(jìn)程等方法實(shí)現(xiàn)，相比于別的設(shè)計(jì)方法，單進(jìn)程的設(shè)計(jì)方法易于實(shí)現(xiàn)，沒有復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，而且本功能的實(shí)現(xiàn)不許過于復(fù)雜的邏輯關(guān)系。本設(shè)計(jì)使用了單進(jìn)程 內(nèi)部使用嵌套的 if 句實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。以下是該功能的輸入輸出端口： is : ); s0, : ); m0, : ); 5 h0, : ); : 預(yù)置數(shù)加 1， 預(yù)置數(shù)減 1 : ; 月日計(jì)數(shù)模塊 年月日的計(jì)數(shù)模塊與時(shí)分秒的計(jì)數(shù)模塊稍有不同，年月日需要考慮閏年 2月份的情況，閏年到來時(shí) 2月份為 29天，其他情況 2月份為 28天。考慮閏年相對應(yīng)的閏月的情況，就會(huì)出現(xiàn)不同的年份對應(yīng)的 2月的天數(shù)的不同，其他的可將1， 3， 5， 7， 8， 10， 12 歸成一類，這幾個(gè)月每 個(gè)月的天數(shù)是 31天，而 4， 6， 9，11這幾個(gè)月又歸為一類，每個(gè)月有 30天，二月分為特殊的一類，閏年有 29天，非閏年為 28天。對瑞年的判斷，由于數(shù)碼管只能顯示年的十位和個(gè)位，前兩位默認(rèn)為 20，故只要后兩位能被 4整除即是閏年。這樣我們就可以把所有的閏年的情況列出來： 00,04,08,20,24,28,40,44,48,60,64,68,80,84,88,12,14,32,34,52,54,72,74,92,94。用 (0000OR 0010OR 0100OR 0110 OR 01000)0000 OR 0100OR 01000)0001 OR 0011 OR 0101OR 0111 OR 1001)0010OR 0110)。 同時(shí)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了進(jìn)位脈沖，當(dāng)計(jì)滿 12 個(gè)月時(shí)向年產(chǎn)生進(jìn)位，年數(shù)加 1。以下是實(shí)體部分： 6 is : : ); : ); : ); : : ) ); 月日置數(shù)模塊 年月日置數(shù)模塊不同于時(shí)分秒的置數(shù)模塊，在年月日的置數(shù)模塊中我們需要考慮閏年相對應(yīng)的閏月的情況，具體和上一模塊年月日計(jì)數(shù)模塊原理一樣。 有效。 置數(shù)模式的選擇控制端， 時(shí)置數(shù)處于加 1模式， 置數(shù)處于減 1模式， 10時(shí)對年進(jìn)行置數(shù)， 11時(shí)對月進(jìn)行置數(shù)， 00 時(shí)對天進(jìn)行置數(shù)。 本設(shè)計(jì)對于本模塊使用了單進(jìn)程，內(nèi)部使用了 if 語句實(shí)現(xiàn) 7 預(yù)期的功能。以下是該置數(shù)模塊的實(shí)體部分： is : : ); : ); : ); : : ) ); 擇器模塊 為了使時(shí)分秒計(jì)數(shù)模塊、時(shí)分秒置數(shù)模塊、年月日計(jì)數(shù)模塊、年月日置數(shù)模塊能夠更好與時(shí)間顯示切換模塊相連接，需要增加兩個(gè)選擇器進(jìn)行 輔助，不然24 個(gè)端口會(huì)引起資源不夠的警告。兩個(gè)選擇器先分別對時(shí)分秒計(jì)數(shù)模塊和時(shí)分秒置數(shù)模塊、年月日計(jì)數(shù)模塊和年月日置數(shù)模塊進(jìn)行選擇，再與時(shí)間顯示切換模塊相連接。端口如下： is : 8 : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : );s0, : ); m0, : ); h0, : ) ); 9 間顯示模塊 時(shí)間顯示模塊連接于上一模塊兩個(gè)選擇器，選擇器模塊已經(jīng)通過 不同值進(jìn)行選擇了一次，在這一模塊再次通過 不同值，對要顯示的模塊進(jìn)行選擇。當(dāng) 000 ， 101 ， 110 ， 111，顯示模塊顯示選擇器 1上的內(nèi)容，當(dāng)其他情況下，顯示模塊顯示選擇器 2上的內(nèi)容。各部分端口 如下： : : );: ); : ); : ); 10 : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); : ); ); : ); : ); : ); : ) ); 11 點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊 整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊，相連與上一模塊是時(shí)分秒計(jì)數(shù)模塊，每當(dāng)分計(jì)數(shù)到 59 時(shí)，輸出一個(gè)高電平，進(jìn)行報(bào)時(shí)，持續(xù)時(shí)間為 60S。各部分端口如下： in 元件例化模塊 該模塊將分立的所有模塊連接起來，運(yùn)用端口映射的方式，將各個(gè)模塊通過相應(yīng)的信號(hào)線相連，這也是一個(gè)容易出現(xiàn)問題的地方，很容易造成連接失敗。 實(shí)驗(yàn)箱頻率輸入， 接與各個(gè)兩個(gè)置數(shù)端口的 連， 輸入脈沖，直接與分頻模塊的 同時(shí)分頻模塊的 以下是實(shí)體部分： S 12 ( : : 沖 1000分頻 產(chǎn)生 1 高時(shí) 預(yù)置 +1 為低時(shí) -1 : : ); ); : ); : ); : ); : ); : 分鐘 ); 內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)如下： 13 14 4、仿真與分析 頻模塊仿真波形 000分頻后輸出， 分秒計(jì)數(shù)模塊仿真波形 分鐘對小時(shí)進(jìn)位。 15 分秒置數(shù)模塊 仿真波形 對時(shí)置數(shù)。以加置數(shù)為例，下同。 對分置數(shù)。 對秒置數(shù)。 月日計(jì)數(shù)模塊仿真波形 年月日計(jì)數(shù)模塊。閏年， 2月 29天。 非閏年， 2月 28天。 16 月日置數(shù)模塊 仿真波形 10，對年進(jìn)行置數(shù)，可以置數(shù)到 99。 11，對月進(jìn)行置數(shù)，滿 12時(shí)，返回 1月份。 00，對日進(jìn)行置數(shù)。 非閏年， 2月份置數(shù) 28天。 閏年， 2月份置數(shù) 29天。 17 點(diǎn) 報(bào)時(shí) 模塊的仿真波形 每給該模塊一個(gè)高電平，輸出一個(gè)高電平，持續(xù) 60s。 5、 器件編程下載及設(shè)計(jì)結(jié)果 由于實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備有限，因此器件下載的步驟未進(jìn)行。 6、課程設(shè)計(jì) 總結(jié) ，包括 會(huì)和建議 這次數(shù)字鐘的課程設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了整整兩天，前期也進(jìn)行了大量的準(zhǔn)備，查閱一些相關(guān)書籍和一些以前的成功設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘文檔，并且也事先動(dòng)手編寫了幾個(gè)模塊的程序，感覺用 言編寫程序設(shè)計(jì)一些系統(tǒng)還是十分有意思，真正自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一些功能要比單純的學(xué)習(xí)一些語法的理論知識(shí)來的更加的有意義，在實(shí)驗(yàn)中我們可以學(xué)習(xí)到課本上學(xué)不到 的知識(shí)，同時(shí)也更加的有趣味性，不是那么的乏味，加深了對 門課程的理解與應(yīng)用。 當(dāng)然在數(shù)字鐘的編寫與仿真中也遇到了許多的問題，但也正是這些問題給我?guī)砹撕艽蟮氖斋@。先說說我采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方法，這種方法為我?guī)砹撕艽蟮谋憷?，使我的設(shè)計(jì)思路十分的清晰，當(dāng)程序在仿真的過程中出現(xiàn)了什么問題可以很快的找到出現(xiàn)的問題的源程序，方便進(jìn)行查錯(cuò)和修改，使大的系統(tǒng)大的程序的編寫，編譯變得非常的有條理化，我想這個(gè)方法會(huì)在我以后的學(xué)習(xí)工作中發(fā)揮相當(dāng)大的作用。 再一個(gè)就是編寫程序時(shí)遇到的問題，最明顯的一個(gè)問題就是未給一些變 量賦初值，這個(gè)問題困擾了很長時(shí)間，程序的邏輯和語法都沒有問題，但是在仿真時(shí)就是不能出現(xiàn)自己想要的仿真波形，最后賦予了初值才解決了這個(gè)問題。還有就是一些細(xì)節(jié)的問題，可能是由于在自己編寫的時(shí)候不是很認(rèn)真還有一些打錯(cuò)字符的現(xiàn)象，在程序編譯的時(shí)候不能夠通過，當(dāng)程序多了的時(shí)候找起來就不是很容 18 易了，我想我以后應(yīng)該盡量的減少這種錯(cuò)誤，以免造成不必要的麻煩，浪費(fèi)時(shí)間；還有個(gè)問題就是當(dāng)你分別測試過各個(gè)分模塊都沒有問題的時(shí)候，把他們整合到一起還是有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一些小問題，這種問題找起來就不是很容易了，你必須重新理清各個(gè)模塊之間的 連線關(guān)系仔細(xì)的查找，才能把問題找到并把它解決，不過還是得益于模塊化這種設(shè)計(jì)方法，使你很清楚的知道整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成以及各個(gè)模塊之間的聯(lián)系，大大的增加了效率；再有個(gè)問題就是我們在編寫程序的時(shí)候很容易忽視掉硬件的平臺(tái)和一些硬件的電路， 術(shù)最大的好處就是把硬件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成軟件的編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)我們也不能忽視掉硬件，應(yīng)該把軟件的編程和硬件平臺(tái)都聯(lián)系起來，要不然很容易編的程序不能夠很好的適用到硬件平臺(tái)，出現(xiàn)一些你根本就想不到的問題，為我們帶來了很大的麻煩。還有一些警告，就是總是產(chǎn)生一些不必要的鎖存器，這個(gè)問題困 擾了我很久，經(jīng)過我大量的查閱資料，終于弄清原因，這主要是 者 句不完整造成的。以后在使用這兩個(gè)語句時(shí)，一定要保證語句的完整，防止不必要的鎖存器產(chǎn)生。 通過這幾天的 數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)真的使我收獲很多，我想我以后還會(huì)加強(qiáng)這方面的實(shí)踐經(jīng)歷，多多的積累經(jīng)驗(yàn)，但這次實(shí)驗(yàn)也有一些小小的缺憾，就是沒能夠自己動(dòng)手進(jìn)行程序向器件中的下載，希望實(shí)驗(yàn)室能夠盡快更新一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 7、 參考文獻(xiàn) 1 劉皖 ,何道君 ,譚明編著 M. 清華大學(xué)出版社 , 2006 2 黃智偉主編 計(jì)與實(shí)踐 M. 電子工業(yè)出版社 , 2005 3 潘松 ,王國棟編著 M. 電子科技大學(xué)出版社 , 2000 4 侯伯亨 ,顧新編著 M. 西安電子科技大學(xué)出版社 , 1999 5 夏宇聞編著 M. 北京航空航天大學(xué)出版社 , 1998 6 盧毅 ,賴杰編著 M. 科學(xué)出版社 , 2001 7 王曉峰 . 基于 言的可置數(shù)十位計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) J. 長 春大學(xué)學(xué)報(bào) . 2010(12) 分頻模塊 1000 分頻 19 21:27:02 01/13/2014 - - - to - is : : : ) ); 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