基于Verilog HDL的数字电路设计.doc

目 录摘要1Abstract11引言211 Verilog HDL的三种设计方法2111 自上而下的设计方法2112 自下而上的设计方法2113 综合设计方法22 交通灯控制系统的设计321 交通灯控制系统的功能322 系统设计33交通灯系统的Verilog HDL 描述44描述完毕的Verilog HDL 语言仿真运行6结语6致谢7参考文献7基于Verilog HDL的数字电路设计摘 要：Verilog HDL 作为一种规范的硬件描述语言, 被广泛应用于电路的设计中。本文首先简单介绍了Verilog HDL语言的设计方法 ，以Verilog HDL 语言为手段, 设计了交通灯控制系统。并给出了Verilog HDL源程序代码，其代码具有良好的可读性和易理解性, 源程序经Quartus II软件完成综合、仿真。关键词: Verilog HDL; 硬件描述语言; 状态机Abstract: As a common language for the descript ion of hardware, Verilog HDL is widely applied in circuit designing. I use state machine to accomplish this traffic signal controller design .This traffic signal controllers mainly purpose is to control the traffic light on de cross road. The transform of traffic light need a precise time interval and the conversion order and my design can achieve this purpose. Key words: Verilog HDL; hardware description language; state machine1引言HDL (Hardware Description Language, 硬件描述语言) 是一种描述硬件所做工作的语言。目前, 电子系统向集成化、大规模和高速度等方向发展, 以硬件描述语言和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计方法在业界得到迅猛发展, HDL 在这种形势下显示出了巨大的优势, 展望将来HDL 在硬件设计领域的地位将与C 和C+ + 在软件设计领域地位一样, 在大规模数字系统的设计中, 他将逐步取代传统的逻辑状态表和逻辑电路图等硬件描述方法而成为主要的硬件描述工具。Verilog HDL 是工业和学术界的硬件设计者所使用的两种主要的HDL 之一, 另一种是VHDL。现在他们都已成为IEEE 标准。两者各有特点, 但Verilog HDL 拥有更悠久的历史、更广泛的设计群体, 资源也远比VHDL 丰富, 且非常容易学习掌握。本文以Verilog HDL 语言为手段, 设计了交通灯控制系统。其代码具有良好的可读性和易理解性, 源程序经Quartus II软件完成综合、仿真, 目标器件选用FPGA 器件。11 Verilog HDL的三种设计方法。111.自上而下的设计方法自上而下的设计方法是从系统级开始，把系统划分为若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一个层次的基本单元，一直这样做下去，知道可以直接用EDA元件库中的基本元件来实现为止。这种设计方法的优点是：在设计周期伊始就做好了系统分析。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能在早期就发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑仿真的工作量。自顶向下的设计方法方便了从系统划分和管理整个项目，使得几十万门甚至几百万门规模的复杂数字电路的设计成为可能并可减少设计人员，避免不必要的重复设计，提高了设计的一次成功率。缺点：得到的最小单元不标准，制造成本高。112.自下而上的设计方法自下而上的设计方法就是一种传统的设计方式，对设计进行逐次划分的过程是从存在的基本单元出发的，设计树最末枝上的单元要么是已经制造出的单元，要么是其他项目已开发好的单元或者是可外购得到的单元，这种设计方法与只用硬件在模拟实验板上建立的一个系统的步骤有密切的联系。这种设计方法的优点是：设计人员对于这种方式进行设计比较熟悉，实现各个子块电路所需时间短。这种设计方法的缺点是：一般来讲，对系统的整体功能把握不足，实现整个系统的功能所需要的时间长，因为必须先把各个小模块完成。使用这种方法对设计人员之间进行相互协作有比较高的要求。113综合设计方法复杂数字逻辑电路和系统的设计过程通常是以上两种设计方法的结合。设计时需要考虑多个目标的综合平衡。在高层系统用自上而下的设计方法来实现，而在低层系统使用自下而上的方法从库元件或数据库中调用已有的单元设计。这种设计方法兼有两种设计方法的优点，而且可以使用矢量测试库进行测试。NYNY电路图设计文件HDL设计文件电路功能仿真HDL功能仿真HDL综合优化，布局布线与物理器件有关的布线约束等工艺技术文件布线后门级仿真电路制造工艺文件或FPGA码流文件确定实现电路的具体库名，指定综合生成的网表类型NY图1.1 HDL语言的设计流程 2 交通灯控制系统的设计21交通灯控制系统的功能交通灯控制系统主要是实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中, 十字交叉路口越来越多,在每个交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理,红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序,这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理, 本系统就是基于此目的而开发的。22系统设计城市十字交叉路口红绿灯控制系统主要负责控制东西走向和南北走向的红绿灯的状态和转换顺序, 关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时, 正是基于以上考虑, 采用如下设计:(1) 当东西走向的绿灯亮时, 南北走向的红灯亮, 并保持3 个clock。(2) 当东西走向的绿、黄灯亮时, 南北走向的红灯亮,并保持1 个clock。(3) 当东西走向的红灯亮时, 南北走向的绿灯亮, 并保持3 个clock。(4) 当东西走向的红灯亮时, 南北走向的绿、黄灯亮,并保持1 个clock。(5) 最后又回到(1) 状态, 并周期重复进行。基于以上设计, 在表1 中给出了交通灯控制器的4 种状态, 对应的状态迁移过程见图2.1。 表2.1 交通灯控制器的4种状态东西走向 南北走向状态0红，黄，绿 001红，黄，绿 100状态1红，黄，绿 011红，黄，绿 100状态2红，黄，绿 100红，黄，绿 001状态3红，黄，绿 100红，黄，绿 011状态0状态1状态2状态3 图2.1交通灯控制系统转换图3交通灯系统的Verilog HDL 描述电子系统设计中, 一般遵循自上而下的设计思路对系统进行设计、描述与仿真。考虑到模块的通用性和可移植性, 常常使用HDL 语言来描述数字系统, 如VerilogHDL、VHDL 语言等。其中Verilog HDL 语言具有结构清晰、文法简明、功能强大、高速模拟和多库支持等优点, 被近90% 的半导体公司使用, 成为一种强大的设计工具。该系统采用Verilog HDL 描述, 程序说明如下:/file: traffic1vmodule traffic (clock, reset, red1, yellow1, green1, red2,yellow2, green2) ; /定义模块input clock, reset; /声明输入变量output red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2;/声明输出变量/声明状态变量st0、st1、st2、st3、st4、st5、st6、st7Parameter st0=0, st1=1, st2=2, st3=3, st4=4,st5= 5, st6=6, st7=7;reg 2: 0 state,nxstate; /声明状态寄存器reg red1,yellow1,green1,red2,yellow2,green2;always (posedge clock or posedge reset)/时钟信号上跳沿或复位信号上跳沿触发工作beginif (reset) /复位信号reset 高有效state = st0 ;elsestate = nxstate;end/基于当前的状态和输入从而进入下一状态和输出always (state)begin/定义输出变量初始值red1 = 1b0; yellow1 = 1b0; green1 = 1b0;red2 = 1b0; yellow2 = 1b0; green2 = 1b0;case (state)/当东西走向的绿灯亮时, 南北走向的红灯亮, 并保持3 个clockst0:begingreen1=1b1;red2=1b1;nxstate=st1;endst1:begingreen1=1b1;red2=1b1;nxstate=st2;endst2:begingreen1=1b1;red2=1b1;nxstate=st3;end/当东西走向的绿、黄灯亮时, 南北走向的红灯亮, 并保持1 个clockst3:begingreen1=1b1; yellow1=1b1;red2=1b1;nxstate=st4;end/当东西走向的红灯亮时, 南北走向的绿灯亮, 并保持3 个clockst4:beginred1=1b1;green2=1b1;nxstate=st5;endst5:beginred1=1b1;green2=1b1;nxstate=st6;endst6:beginred1=1b1;green2=1b1;nxstate=st7;end/当东西走向的红灯亮时, 南北走向的绿、黄灯亮, 并保持1 个clockst7:beginred1=1b1;green2=1b1;yellow2=1b1;nxstate=st0; /又重新回到开始状态endendcaseendendmodule/结束模块4描述完毕的Verilog HDL 语言仿真运行仿真运行是HDL的强大功能之一,虽然与现场环境不可能完全一致,但可以帮助设计者解决逻辑错误,如果在设计时能够将器件时序和时延时间考虑完整,并作好准确的描述,就可以最大程度的模拟真实环境,对最后生成的电路改动较少,节约了成本。本设计对整个交通灯控制器用quartus II软件编译并进行时序仿真,图4.1所示的是其仿真波形的一部分。该图表示了2个方向的4种灯亮灭转换的时序关系。41交通灯时序控制仿真波形结语Verilog HDL有着类似C语言的风格易于学习和掌握，与传统的原理图输入设计方法相比较，Verilog HDL更适用于规模日益增大的数字系统，用Verilog HDL等硬件描述语言进行数字系统的设计是当前EDA发展的趋势也是一种具有广阔前景的集成电路开发工具。在本文中采用Verilog HDL 语言设计交通灯控制系统, 借助其功能强大的语言结构, 简明的代码描述复杂控制逻辑设计, 与工艺无关特性, 在提高工作效率的同时达到求解目的, 并可以通过Verilog HDL 语言的综合工具进行相应硬件电路生成, 具有传统逻辑设计方法所无法比拟的优越性。功能仿真结束后, 可以利用综合工具对Verilog HDL 源码进行综合, 生成网表文件, 再根据该网表文件和所选可编程逻辑器件FPGA 进行优化、布局布线, 然后进行布线后仿真, 最后生成供可编程逻辑器件用的FPGA 码流文件, 把该文件输入可编程逻辑器件即可制成实际数字电路，但是由于时间和能力有限，这些内容有待以后进一步的完善。致谢在写这篇论文之前我对Verilog DHL语言并没有什么了解，但是通过吴老师的指导和我自己在这段时间里的学习，使我对这门硬件语言有了一定的了解，并且能够完成这次毕业论文的工作，使我的实验技能有了很大的提高，另外，我还要感谢我的同学对我论文写作的指导，他们都为我完成这篇论文提供了巨大的帮助，最后再次向关心和帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢参考文献1 张明Verilog HDL 实用教程M 1 成都: 电子科技大学出版社2 Hyde DC1 Bucknell Handbook on Verilog HDL Computer Science Department, Bucknell University Lewisburg3 康华光 电子技术基础(数字部分) M 1 北京: 高等教育出版社, 198814 夏宇闻 复杂数字电路与系统的Verilog HDL 设计技术M 1 北京: 北京航空航天大学出版社, 199815 徐志军, 徐光辉CPLDF PGA 的开发与应用M 1 北京:电子工业出版社, 200216 王金明,杨吉斌.数字系统设计与Verilog HDLM.北京:电子工业出版社,2002年1月.7 周立功,夏宇闻.单片机与CPLD综合应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003年9月.8 江国强.EDA技术与应用M.北京:电子工业出版社,2004年8月.9 Thomas&Moorb