基于FPGA的计数器的程序设计方案

基于 计数器的程序设计方案 介 即现场可编程门阵列，它是在 可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ 域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 自 1985 年 司推出第一片中大规模现场可编程逻辑器件 (至今 ,经历了十几年的历。在这十几年的过程中 ,可编程器件有了惊人的发展 :从最初的 1200 个可利用门 ,到今天的 25 万可利用门 ,规模增大了 200 多倍 ; 应商也从 一枝独秀 ,到今天近 20 个厂商的分庭抗争 ;单一的基于 都充分体现了可编程器件这一巨大市场的吸引力。 仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题 ,而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格 不断降低。由于目前电子产品生命周期相对缩短 ,相近功能产品的派生设计增多等特点 ,促使 来越多地取代了 市场 ,特别是对国内众多的科研单位来说 ,小批量、多品种的产品需求 ,使得 为首选。 硬件描述语言 点 功能强大、设计灵活。 有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设 计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。 持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。 支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。支持广泛、易于修改。由于 经成为 准所规范的硬件描述语言，目前大多数 具几乎都支持 为 进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用 写的源代码，因为 读和结构化，所以易于修改设计。强大的系 统硬件描述能力。 有多层次的设计描述 功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外， 持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。 持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。独立于器件的设计、与工艺无关。设计人员用 行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的 器件结构来实现其功能。很强的移植能力。 一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。 软件开发工具 I 简介 I 设计软件 提供了完整的多平台设计环境，它可以轻易满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统 (设计的综合性环境和 为 程，其内部嵌有 I 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析 /综合器（ 适配器（ 装配器 (时序分析器(设计辅助模块 (。可以通过选择 单）来运行所有的编译器模块。若要单独运行各个模块，可以通过选择 单），然后从 菜单中为模块选择相应的指令。此外，还可以通过选择 单）并在 口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，还可以打开其它相关窗口。 以在一个新的编辑输入环境中对使用不同输入设计方式完成的模块进行调试，从而解决原理图与 设计输入之后， 以使用 括设计输入编辑、设计分析与综合、适配、编译文件汇编（装配）、时序参数提取以及编程下载几个步骤。 2 整体设计方案 设计基于 计数器，要求显示 1 个 0四位计数器 ，可以由 4 个模为 10 的十进制计数器级联而成，所以可以显示的频率范围是 1此，频率计的功能分割成四个模块： 分频计， 计数器， 输出锁存器和译码显示电路 。各个模块均用 言描述 并用 行仿真。本设计采用数控分频计，可以对信号实现不同分频比，输出信号作为计数器输入。锁存器由一个外部脉冲控制可以控制显示部分显示周期。 当系统正常工作时， 输入信号 标 提供频率， 经过 分频器分频，产生计数信号 送入计数器模块，计数模块对输入的脉冲个数进行计数数结束后，将计数结果送入锁存器中，保证系统可以稳定显示数据，计数结果能够显示在七段数码显示管上。 图 1 设计方案 分频计 计数器 锁存器 显示电路 3 各个模 块的设计和功能的具体分析 分频器设计 设计原理 分频器是指使输出信号频率为输入信号频率整数分之一的电子电路。在许多电子设备中如电子钟、频率合成器等，需要各种不同频率的信号协同工作，常用的方法是以稳定度高的晶体振荡器为主振源，通过变换得到所需要的各种频率成分，分频器是一种主要变换手段。早期的分频器多为正弦分频器，随着数字集成电路的发展，脉冲分频器（又称数字分频器）逐渐取代了正弦分频器，即使在输入输出信号均为正弦波时也往往采用模数转换数字分频数模转换的方法来实现分频。正弦分频器除在输入信噪比低和频率极高的场合已很少使用。 数控分频器的功能是在输入端给定不 同数据时，将对输入的时钟信号有不同的分频比，对于一个 频出的时钟周期是原时钟周期的 率变为原来的 1/N。对于一个 8位计数器，如果输入数 后启动计数器工作，则经过出 以 此 N=2D。计数一次后，再重新计数，反复进行直至输入被赋予新值。对于数控分频数器，装载不同的计数初始值时，会有不同频率的溢出信号，从而得到不同的输出。数控分频器是利用计数值可并行预置的加法计数器设计完成的。 源程 序及其仿真波形 S : : ); ); F S _ ); F 1 F 11111111 = 数计满时，输入数据 0); 1 if 1 if 0); ); e(0),d(3 ); u2:e(0),e(1),d(7 ); u3:e(1),e(2),d(11 ); u4:e(2),e(3),d(15 2); 锁存器设计 锁存器及其应用 所谓锁存器，就是输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。典型的锁存器逻辑电路是 D 触发器电路。在 数码管显示方面，要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。尤其是在四 段八位数码管等这些要选通的显示设备上。在人类能够接受的刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。这就大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和 脚便可以释放。可以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可 以有更多的时间来执行其他的任务。这就是锁存器在 数码管显示方面的作用 :节省了宝贵的 间。 16 位锁存器源程序及其仿真波形 is in in 5 ); 5 0); is 1a a a a a a a a a a a a a a a a 图 7 七段数码管仿真波形 4 计数器顶层设计 于 自顶向下的设计方法 所谓自顶向下设计方法 ,就是采用可完全独立于芯片厂商及其产品结构的描述语 ,在功能级对设计产品进行定义 ,并结合功能仿真技术 ,以确保设计的正确性 ,能定义完成后 ,利用逻辑综合技术 ,把功能描述转换成某一具体结构芯片的网表文件 ,输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局布线结果还可反标回同一仿真器 ,进行包括功能和时序的后验证 ,以保证布局布线所带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。 自顶向下设计方法的优越性是显而易见的。首先 ,由于功能描述可完全独立于芯片结构 ,在设计的最初阶段 ,设计师可不受芯片结构的约束 ,集中精力进行产品设计 ,避免了传统设计方法所带来的重新再设计风险 ,大大缩短了设计周期。其次 ,设计的再利用得到保证。目前的电子产品正向模块化发展，所谓模块化就是对以往设计成果进行修改 ,组合和再利用 ,产生全新的或派生设计 ,而自顶向下设计方法的功能描述可与芯片结构无关。因此可以以一种 以便将来的重新利用。第三 ,设计规模 大大提高。简单的语言描述即可完成复杂的功能 ,而不需要手工绘图。第四，芯片选择更加灵活。设计师可在较短的时间内采用各种结构芯片来完成同一功能描述 ,从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要求等方面进行平衡 ,选择最佳结果。 层设计源文件及其仿真波形 is in in 7 ); in ); of is in : in ); in d:5 ); in in 5 ); 5 ); d:in ); a: ); y:b,h:5 ); 7 ); D=y); y, d=b); b(15 ),h(15 ); u4:d=h(3 ),a= ); d=h(7 ),a=3 ); d=h(11 ),a=0 4); d=h(15 2),a=7 1); 图 8 总程序仿真波形 总 结 为期一周的 课程设计结束啦， 在整个计数器 的设计实现过程中，学会了不少新的知识，同时也将所学的语言有了进一步的深刻理解，现在在这里谈一下自己的心得体会。 作为一个电子信息类专业的学生， 我们重要的 课 程 ，是我们将来从事电子设计的有力工具。通过对该课程的学习，我们对电子设计自动化有 了更进一步的理解；通过对数字滤波器的设计，我们也了解了计数器 的基本结构和基本特性，而且更加牢固地掌握了相关的理论知识，同时也提高了自己的动手实践能力。这次课程设计，很重要的一部分就是 为此学习了程序的基本操作，对于一般的设计、编译、仿真能够熟练掌握。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在 同学的帮助以及自己的努力下 ， 最终迎刃 而解 ， 同时，我 也学 到了 很多实用的知识 。 参考文献 1褚振勇 . 三版） M2012,4 2陈怀