基于VHDL的数字闹钟设计

摘要I摘要随着EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用领域的重要性日益突出。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。本文介绍了基于VHDL硬件描述语言设计的多功能数字闹钟的思路和技巧。在Quartus11开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并逐一调试验证程序的运行状况。仿真和验证的结果表明，该设计方法切实可行，该数字闹钟可以实现调时定时闹钟播放音乐功能具有一定的实际应用性。关键词：闹钟FPGAVHDLII目录摘要..............................................................................................................................I目录............................................................................................................................II第一章选题背景.......................................................................................................III1.1选题研究内容.....................................................................................................III1.2课题研究功能.....................................................................................................III1.3课题相关技术应用.............................................................................................III第二章FPGA简介....................................................................................................22.1FPGA概述............................................................................................................22.1.1FPGA基本结构.............................................................................................22.2FPGA编程原理....................................................................................................22.3FPGA设计流程....................................................................................................3第三章数字闹钟整体方案设计................................................................................53.1数字闹钟整体设计..................................................................................................53.1.1数字闹钟各部分作用............................................................................................53.2数字钟的工作原理..............................................................................................5第四章模块电路设计................................................................................................74.1模块电路图设计...................................................................................................74.2各模块电路设计...................................................................................................7第五章实验结果........................................................................................................145.1实验概述.............................................................................................................145.2实验仿真结果.....................................................................................................14第六章总结与展望..................................................................................................16研究结论...................................................................................................................16研究展望...................................................................................................................16致谢...........................................................................................................................17参考文献......................................................................................................................19附录1部分模块代码.................................................................................................20附录2动态扫描模块程序.........................................................................................27目录III第一章选题背景1.1选题研究内容设计一个24小时的闹钟，该闹钟由显示屏、数字键、TIME键、ALARM键、扬声器组成。闹钟总体系统包括如下几步分组成：用于键盘输入预置数字的键盘缓冲器；用于时钟计数的计数器；用于保存闹钟时间的闹钟寄存器；用于显示的七段数码显示器及控制以上各个部分协同工作的闹钟控制器。1.2课题研究功能(1)计时功能：这是本计时器设计的基本功能，可进行时、分、秒计时，并显示。(2)闹钟功能：如果当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出一段音乐，并维持一分钟。(3)调时调分调闹钟功能：当需要校时或者要重新设置闹钟的时间时，可通过实验箱上的按键控制。1.3课题相关技术应用EDA技术和硬件描述语言VHDL的基础知识，通过对工程实例的系统分析、程序设计和仿真，深入细致地讨论了它们在数字系统设计中的广泛应用。电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation，即EDA)技术是指包括电路系统设计、系统仿真、设计综合、PCB版图设计和制版的一整套自动化流程。随着计算机、集成电路和电子设计技术的高速发展，EDA技术已经渗透到百姓生活的各个角落，日益成为电子信息类产品的支柱产业。秒表、彩灯控制器、抢答器、电梯控制器、出租车计费器、微波炉控制器、FIR滤波器、I2C控制器、DDS、序列检测器、自动售货机、函数发生器、调制解调器和UART等15个数字系统的VHDL设计范例，给用户演示了数字电路的设计方法和思路。当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。它与传统的电子产品在设计上的显著区别师大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低.同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。第一章选题背景1选题背景2第二章FPGA简介2.1FPGA概述FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLA/FPGA开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。这些优点使得CPLA/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步。2.1.1FPGA基本结构FPGA一般由3种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。这3种可编程电路是：可编程逻辑模块（CLB--ConfigurableLogicBlock）、输入/输出模块（IOB--I/OBlock）和互连资源（IR—InterconnectResource）。可编程逻辑模块CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入/输出模块（IOB）主要完成芯片上的逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间或CLB、IOB之间以及IOB之间连