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文檔簡介

1、 1 引 言最近幾年出租車行業(yè)發(fā)展迅速,在全國有幾千家出租車公司,因此出租車計費器的市場是龐大的。隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是集成電路的迅猛發(fā)展,電子設(shè)計自動化已經(jīng)成為主要的設(shè)計手段。隨著eda技術(shù)的大力發(fā)展,fpga等數(shù)字可編程器件的出現(xiàn),數(shù)字出租車計費器的設(shè)計也就變得更加簡單,而且性能更穩(wěn)定、能實現(xiàn)較復(fù)雜的功能,且運用eda軟件可方便的在計算機上實現(xiàn)設(shè)計與仿真。本設(shè)計基于vhdl(fpga)語言是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù),未來必定會取代部分落伍的數(shù)字元元件。1.1 課程設(shè)計目的隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進步,集成電路的設(shè)計方法也在不斷地更新。時至今日,傳統(tǒng)的手工設(shè)計過

2、程已經(jīng)被先進的電子設(shè)計自動化(eda)工具所代替。只有以硬件描述語言和邏輯綜合為基礎(chǔ)的子項項下的電路設(shè)計方法才能滿足日趨復(fù)雜的集成電路系統(tǒng)設(shè)計需求,才能縮短設(shè)計周期以滿足設(shè)計對集成電路系統(tǒng)日益急迫的需求。在這種情形下,傳統(tǒng)的出租車計費器設(shè)計方法已不能跟上現(xiàn)在的節(jié)奏,以往的出租車計費器在功能上也遠不能滿足現(xiàn)實的需求。以往的出租車計費器的不穩(wěn)定性,功能稍等缺點是的大家開始尋求更新的,功能更強大,性能更穩(wěn)定,價錢更低廉的新型出租車計費器。而大規(guī)??删幊踢壿嬈骷某霈F(xiàn),vhdl硬件描述語言的出現(xiàn),使得這一切成為可能。本設(shè)計的研究目標(biāo)和意義也就是要使用價錢低廉、性能穩(wěn)定、價錢低廉、可擴性強、適應(yīng)目前出租

3、車市場需求的出租車計費器,以解決目前出租車計費器存在的一系列問題。1.2課程設(shè)計要求1. 能實現(xiàn)計費功能,計費標(biāo)準(zhǔn)為:按行駛里程收費,起步費為10.00元,并在車行3公里后再按2元/公里,當(dāng)計費器計費達到或超過一定收費(如20元)時,每公里加收50%的車費,車停止不計費。2. 實現(xiàn)預(yù)置功能:能預(yù)置起步費、每公里收費、車行加費里程。3. 實現(xiàn)模擬功能:能模擬汽車啟動、停止、暫停、車速等狀態(tài)。4. 設(shè)計動態(tài)掃描電路:將車費顯示出來,有兩位小數(shù)。5. 用vhdl語言設(shè)計符合上述功能要求的出租車計費器,并用層次化設(shè)計方法設(shè)計該電路。6. 各計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)用功能仿真的方法驗證,并通過有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)

4、計是否正確。7. 完成電路全部設(shè)計后,通過系統(tǒng)實驗箱下載驗證設(shè)計的正確性。 1.3 設(shè)計平臺max + plus是美國altera 公司的一種eda 軟件,用于開發(fā)cpld 和fpga 進行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。2 應(yīng)用工具介紹作為當(dāng)今最流行的計算機軟件系統(tǒng),eda技術(shù)是以計算機為工作平臺,融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果,進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。eda可提供文本輸入以及圖形編輯的方法將設(shè)計者的意圖用程序或者圖形方式表達出來,而我們經(jīng)常用到的vhdl語言便是用于編寫源程序所需的最常見的硬件描述語言(hdl)之一。2.1 eda技術(shù)介紹eda是電子設(shè)計自動化(electr

5、onic design automation)的縮寫,在20世紀(jì)90年代初從計算機輔助設(shè)計(cad)、計算機輔助制造(cam)、計算機輔助測試(cat)和計算機輔助工程(cae)的概念發(fā)展而來。eda技術(shù)是在電子cad技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng),是指以計算機為工作平臺,融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果,進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計1。eda技術(shù)就是以計算機為工具,設(shè)計者在eda軟件平臺上,用硬件描述語言hdl完成設(shè)計文件,然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真,直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。典型的ed

6、a工具中必須包含兩個特殊的軟件包,即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設(shè)計者在eda平臺上完成的針對某個系統(tǒng)項目的hdl、原理圖或狀態(tài)圖形描述,針對給定的硬件系統(tǒng)組件,進行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合,最終獲得我們欲實現(xiàn)功能的描述文件。綜合器在工作前,必須給定所要實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù),它的功能就是將軟件描述與給定的硬件結(jié)構(gòu)用一定的方式聯(lián)系起來。也就是說,綜合器是軟件描述與硬件實現(xiàn)的一座橋梁。綜合過程就是將電路的高級語言描述轉(zhuǎn)換低級的、可與目標(biāo)器件fpga/cpld相映射的網(wǎng)表文件。 在今天,eda技術(shù)已經(jīng)成為電子設(shè)計的普遍工具,無論設(shè)計芯片還是設(shè)計系統(tǒng),沒有eda工具的支持,都是難以完成的。eda工具

7、已經(jīng)成為設(shè)計師必不可少的武器,起著越來越重要的作用。從目前的eda技術(shù)來看,其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及、應(yīng)用廣泛、工具多樣、軟件功能強大。eda技術(shù)發(fā)展迅猛,完全可以用日新月異來描述。eda技術(shù)的應(yīng)用廣泛,現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。eda水平不斷提高,設(shè)計工具趨于完美的地步。2.2vhdl語言介紹電子設(shè)計自動化(eda)的關(guān)鍵技術(shù)之一是要求用形式化方法來描述數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路。vhdl 硬件描述語言在電子設(shè)計自動化中扮演著重要的角色,他是eda 技術(shù)研究的重點之一。硬件描述語言是eda 技術(shù)的重要組成部分,vhdl 是作為電子設(shè)計主流硬件描述語言,vhdl(very high speed in

8、tegrated circuit hardware description language)于1983 年由美國國防部發(fā)起創(chuàng)建,由ieee進一步發(fā)展并在1987年作為ieee標(biāo)準(zhǔn)10760發(fā)布。因此,vhdl成為硬件描述語言的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一。vhdl作為ieee的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言,得到眾多eda公司的支持,在電子工程領(lǐng)域,已成為事實上的通用硬件描述語言。vhdl語言具有很強的電路描述和建模能力,能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述,從而大大簡化了硬件設(shè)計任務(wù),提高了設(shè)計效率和可靠性,使用vhdl語言,可以就系統(tǒng)的總體要求出發(fā),自上而下地將設(shè)計內(nèi)容細化,最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計。一個完整的

9、vhdl程序包括以下幾個基本組成部分:實體(entity),結(jié)構(gòu)體(architecture),程序包(package),庫(library)。其中,實體是一個vhdl程序的基本單元,由實體說明和結(jié)構(gòu)體兩部分組成,實體說明用于描述設(shè)計系統(tǒng)的外部接口信號;結(jié)構(gòu)體用于描述系統(tǒng)的行為,系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流程或系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)形式。程序包存放各設(shè)計模塊能共享的數(shù)據(jù)類型,常數(shù),子程序等。庫用于存放已編譯的實體,機構(gòu)體,程序包及配置。vhdl 語言的編譯環(huán)境有不同的版本,我們應(yīng)用的是altera 公司的maxplus 軟件,它的操作順序如下:使用texteditor 編寫vhdl 程序使用compiler 編譯vhd

10、l 程序;使用wave2formeditor,simularot 仿真實驗;使用timinganaltzer 進行芯片的時序分析;用floorplaneditor 鎖定芯片管腳位置;使用programmer 將編譯好的vhdl 程序下載到芯片中。vhdl 進行工程設(shè)計的優(yōu)點是顯而易見的。1與其他的硬件描述語言相比,vhdl 具有更強的行為描述能力,從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。2vhdl 豐富的仿真語句和庫函數(shù),使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性,隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。3vhdl 語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的

11、再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效、高速地完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。4對于用vhdl 完成的一個確定的設(shè)計,可以利用eda 工具進行邏輯綜合和優(yōu)化,并自動的將vhdl 描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。5vhdl 對設(shè)計的描述具有相對獨立性,設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu),也不必管理最終設(shè)計實現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么,而進行獨立的設(shè)計。6用vhdl 語言編寫的源程序便于文檔管理,用源代碼描述來進行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計,既靈活方便,又便于設(shè)計結(jié)果的交流、保存和重用。3 設(shè)計原理車速控制模塊計費動態(tài)顯示里程動態(tài)顯示 車速選擇 起/停開關(guān) 基本速率 reset 掃描時鐘 顯示輸出 顯示輸出圖3

12、.1 系統(tǒng)頂層框圖計費器按里程收費,每100米開始一次計費。各模塊功能如下:(1) 車速控制模塊當(dāng)起停鍵為啟動狀態(tài)時(高電平),模塊根據(jù)車速選擇和基本車速發(fā)出響應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動計費器和里程顯示模塊進行計數(shù);當(dāng)處于停止?fàn)顟B(tài)時暫停發(fā)出脈沖,此時計費器和里程顯示模塊相應(yīng)的停止計數(shù)。(2) 里程動態(tài)顯示模塊其包括計數(shù)車速控制模塊發(fā)出的脈沖以及將計數(shù)顯示動態(tài)顯示出來,每來一個脈沖里程值加0.1(控制器每發(fā)一個脈沖代表運行了0.1公里)。(3) 計費動態(tài)顯示模塊其初值為10元,當(dāng)里程超過3公里后才接受計數(shù)車速控制模塊發(fā)出的脈沖的驅(qū)動,并且計數(shù)顯示動態(tài)顯示出來,每來一個脈沖(代表運行了0.5公里)其數(shù)值加1

13、元,當(dāng)收費超過20時數(shù)值加1.5元。4 設(shè)計步驟vhdl設(shè)計流程圖(如圖4.0):vhdl文本編輯vhdl文本編輯fpga/cpld適配器fpga/cpld編輯下載器vhdl仿真器fpga/cpld器件和電路系統(tǒng)時序與功能仿真器圖4.0 vhdl設(shè)計流程圖4.1程序設(shè)計圖4.1系統(tǒng)的總體模塊圖(1)模塊ms的實現(xiàn)(如圖4.1.1所示)圖4.1.1 模塊ms圖模塊ms,輸入端口ck0、ck1為兩個不同的時鐘信號,來模擬汽車的加速和勻速,js加速按鍵。(2)模塊sout的實現(xiàn)(如圖4.1.2所示) 圖4.1.2 模塊sout圖該模塊實現(xiàn)車行狀態(tài)輸出功能,其中clk為時鐘信號,enable 為啟動使

14、能信號,sto暫停信號, clr為清零信號,st為狀態(tài)信號。(3)模塊pulse的實現(xiàn)(如圖4.1.3所示)圖4.1.3 模塊pulse圖該模塊實現(xiàn)將時鐘信號5分頻功能。(4)模塊counter的結(jié)果驗證(如圖4.1.4所示)圖4.1.4 模塊counter圖實現(xiàn)汽車模擬計費功能。clr1為清零信號,si為狀態(tài)信號,c1,c2,c3分別為費用的三為顯示。(5)模塊scan_led的實現(xiàn)(如圖4.1.5所示)圖4.1.5 模塊scan_led圖該模塊實現(xiàn)顯示車費功能。bt為選位信號,sg譯碼信號4.2系統(tǒng)仿真:系統(tǒng)仿真是在實際系統(tǒng)上進行實驗研究比較困難時適用的必不可少的工具,它是指通過系統(tǒng)模型實

15、驗去研究一個已經(jīng)存在或正在設(shè)計的系統(tǒng)的過程,通俗地講,就是進行模型實驗。因而,系統(tǒng)仿真的結(jié)果決定整個課程設(shè)計任務(wù)完成的到位程度。程序輸入完成后進行編譯,編譯完成后,可以對所進行的設(shè)計進行仿真,本課程設(shè)計的仿真平臺是max+plus,通過對vhdl源程序進行編譯檢錯,然后創(chuàng)建波形文件(后綴名為.scf),加入輸入輸出變量,選擇適用的芯片以及設(shè)定仿真結(jié)束時間,設(shè)置好輸入初值進行仿真,得到仿真波形圖:1.模塊ms的結(jié)果驗證(如圖4.2.1)圖4.2.1當(dāng)js為高電平,clk_out按照clk1輸出;低電平時,按照clk0輸出2模塊sout的結(jié)果驗證(如圖4.2.2)enable高電平時,每一個時鐘上

16、升沿時,cqi計數(shù)加1,若cqi=30時,state賦01,30cqi=80時,state賦10態(tài),.;enable低電平時,cqi計數(shù)暫停,保持不變圖4.2.23模塊pulse的結(jié)果驗證(如圖4.2.3)每個clk0上升沿時,cnt計數(shù)加1,加到4時在下一個時鐘上升沿賦值0;cnt不為0時fout賦值高電平,否則低電平圖4.2.34模塊counter的結(jié)果驗證(如圖4.2.4) si為出租車狀態(tài)信號:“00”表示計費值停止,q1q3不變;“01”計費清零,設(shè)置為起步價10元,q2=1,q3=0,q1=0;“10” 正常計費,每公里1元,“11”超過20元后,每公里1.5元;q1,q2,q3的

17、信號分別賦值給c1,c2,c3圖4.2.45模塊scan_led的結(jié)果驗證(如圖4.2.5)bt位選,sg譯碼對應(yīng)數(shù)字09圖4.2.56模塊taxi的結(jié)果驗證(如圖4.2.6)圖4.2.64.3 結(jié)果分析出租車計費器系統(tǒng)的設(shè)計已全部完成,能按預(yù)期的效果進行模擬汽車啟動、停止、暫停等功能,并設(shè)計動態(tài)掃描電路顯示車費數(shù)目,由動態(tài)掃描電路來完成。車暫時停止不計費,車費保持不變。若停止則車費清零,等待下一次計費的開始。出租車計費器系統(tǒng)的設(shè)計已全部完成,能按預(yù)期的效果進行模擬汽車啟動、停止、暫停等功能,并設(shè)計動態(tài)掃描電路顯示車費數(shù)目,由動態(tài)掃描電路來完成。車暫時停止不計費,車費保持不變。若停止則車費清零

18、,等待下一次計費的開始。各模塊完成后,在將它們組合成完整的出租車系統(tǒng),在設(shè)計過程中還需要改進的是控制系統(tǒng)的糾錯功能。出租車計費系統(tǒng)的設(shè)計中體現(xiàn)了覆蓋面廣,描述能力強,是一個多層次的硬件描述語言及pld器件速度快,使用方便,便于修改等特點,本設(shè)計在實用方面具有一定的價值。5 結(jié)束語課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練,著是我們邁向社會,從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”,通過這次課程設(shè)計,我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進行課程設(shè)計,學(xué)會腳踏實地邁開這一步,就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。通過這次實驗使我收獲很多,對書本理論知識有了進一步加

19、深,初步掌握了maxplusii軟件的一些設(shè)計使用方法。對一些器件的使用方法了解更深刻了,如一些器件的使能端的作用等。主要有以下一些實驗感想1、 應(yīng)該對實驗原理有深刻理解;2、 做實驗必須不急不躁,不能看見其他同學(xué)做的快就沉不住氣了;3、 熟練掌握其他軟件是必要的,如matlab軟件、excel、word等;4、 必須學(xué)會自己調(diào)試電路,一般第一次設(shè)計出的電路都會通不過編譯的,所以要學(xué)會調(diào)試電路,而不是等老師解答或同學(xué)幫助;致 謝 經(jīng)過三周的奮戰(zhàn)我的課程設(shè)計終于完成了。在沒有做課程設(shè)計以前覺得課程設(shè)計只是對這半年來所學(xué)知識的單純總結(jié),但是通過這次做課程設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。課程設(shè)計不僅是

20、對前面所學(xué)知識的一種檢驗,而且也是對自己能力的一種提高。在這次課程設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了,同學(xué)之間互相幫助,有什么不懂的大家在一起商量,聽聽不同的看法對我們更好的理解知識,所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。在此要感謝我們的指導(dǎo)老師陳老師對我們悉心的指導(dǎo),感謝老師們給我們的幫助。在設(shè)計過程中,我通過查閱大量有關(guān)資料,與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué),并向老師請教等方式,使自己學(xué)到了不少知識,也經(jīng)歷了不少艱辛,收獲頗豐。參考文獻1曹昕燕,周鳳臣,聶春燕.eda技術(shù)實驗與課程設(shè)計【m】.清華大學(xué)出版社2劉欲曉,方強,黃宛寧.eda技術(shù)與vhdl電路開發(fā)應(yīng)用實踐【m】.電子工業(yè)出版社3潘松,黃繼業(yè).ed

21、a技術(shù)實用教程(第三版)【m】.科學(xué)出版社4 趙巖嶺,劉春等.在max+plusii平臺下用vhdl進行數(shù)字電路設(shè)計.西安:希典出版社,20055 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京:高等教育出版社,20066 閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2003 附錄1:模塊ms清單/ 程序名稱:ms/ 程序功能:模塊ms,輸入端口ck0、ck1為兩個不同的時鐘信號,來模擬汽車的加速和勻速,js加速按鍵。/ 程序作者:金人佼/ 最后修改日期:2010.12.31library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity ms is port(ck

22、0:in std_logic; /慢速檔的時鐘信號 ck1:in std_logic; /快速檔的時鐘信號 js:in std_logic; /換擋按鍵信號 clk_out:out std_logic);end ms;architecture one of ms isbegin process(js, ck0,ck1) begin if js=0 then clk_out=ck0; /js低電平,則為慢速檔 else clk_out0); /clr低電平,cqi清零 elsif clkevent and clk=1 then /clk上升沿觸發(fā) if sto=1 then state:=00;

23、cqi:=cqi; /sto高電平時,state賦00態(tài) elsif enable =1 then /enable高電平,cqi計數(shù)加1 cqi:=cqi+1; if cqi=30 then state:=01; /cqi30 and cqi=80 then state:=10; /30cqi80時,state賦11態(tài) end if; end if; end if;st=state;end process;end one;附錄3:模塊pulse/ 程序名稱:pulse/ 程序功能:該模塊實現(xiàn)將時鐘信號5分頻功能。/ 程序作者:金人佼/ 最后修改日期:2010.12.31library ieee

24、;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity pulse is port(clk0:in std_logic; fout:out std_logic);end pulse;architecture one of pulse isbegin process(clk0) variable cnt:std_logic_vector(2 downto 0); variable full :std_logic; begin if clk0event and clk0=1 then if cnt=100 then /

25、cnt計數(shù)到5(“100”) cnt:=000 ; /cnt清零 full:=1; /full高電平 else cnt:=cnt+1; /否則計數(shù)cnt加1 full:=0; /full賦低電平 end if; end if;foutq1:=q1;q2:=q2;q3:=q3; when 01= q1:=0000;q2:=0000;q3:=0001; /起步價10元 when 10= if q21001 then q2:=q2+1; else q2:=0000; if q3 if q10101 then q1:=q1+5; else q1:=0000; end if; if q1=0101 th

26、en if q21001 then q2:=q2+1; else q2:=0000; if q31001 then q3:=q3+1; end if; end if; else if q21001 then q2:=q2+2; else q2:=0001; if q3null; end case;end if;c1=q1;c2=q2;c3=q3;end process;end one;附錄5:模塊scan_led的實現(xiàn)/ 程序名稱:scan_led/ 程序功能:該模塊實現(xiàn)顯示車費功能。bt為選位信號,sg譯碼信號。/ 程序作者:金人佼/ 最后修改日期:2010.12.31library iee

27、e;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity scan_led is port(di1:in std_logic_vector(3 downto 0); di2:in std_logic_vector(3 downto 0); di3:in std_logic_vector(3 downto 0); clk2:in std_logic; sg:out std_logic_vector(6 downto 0); bt:out std_logic_vector(2 downto 0);end scan_le

28、d;architecture one of scan_led is signal cnt4 :std_logic_vector(1 downto 0);signal a:std_logic_vector(3 downto 0);beginp1:process(clk2)variable sq :std_logic_vector(1 downto 0); begin if clk2event and clk2=1 then if sq=10 then sq:=00; /位選信號,1-3位循環(huán) else sq:=sq+1; end if; end if; cnt4bt=001;abt=010;ab

29、t=100;abt=100;anull; end case;end process p2; p3:process(a) begin case a is /根據(jù)a的值,顯示09 when 0000=sgsgsgsgsgsgsgsgsgsgnull; end case;end process p3;end one ;附錄6:模塊taxi/ 程序名稱:taxi/ 程序功能:該模塊為最終的頂層模塊。/ 程序作者:金人佼/ 最后修改日期:2010.12.31library ieee;library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity taxi is port(

30、t_clk0:in std_logic; t_clk1:in std_logic; t_clk2:in std_logic; t_js :in std_logic; t_enable:in std_logic; t_clr:in std_logic; t_sto:in std_logic; t_bt: out std_logic_vector(2 downto 0); t_sg: out std_logic_vector(6 downto 0);end taxi;architecture struc of taxi is /頂層模塊設(shè)計component msport(ck0:in std_l

31、ogic; ck1:in std_logic; js:in std_logic; clk_out:out std_logic);end component;component soutport(clk:in std_logic; enable:in std_logic; sto :in std_logic; clr:in std_logic; st:out std_logic_vector(1 downto 0);end component;component pulseport(clk0:in std_logic; fout:out std_logic);end component;component co

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