【毕业学位论文】（Word原稿）基于CPLD可变模计数器的设计与实现-电子信息工程

题目 基于 变模计数器的设计与实现 作者姓名 侯文强 指导教师 刘笃仁 二级学院 电气信息工程学院 专 业 电子信息工程 学 号 7012 年 5 月 10日西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 可变模计数器的设计与实现 I 基于 可变模计数器的设计与实现 摘 要 随着电子技术、计算机技术和 用 行数字系统的开发已被广泛应用于通信、航天、医疗电子、工业控制等领域。与传统电路设计方法相比，发周期短，投资少，便于追踪市场变化及时修改产品设计，以及开发工具智能化等特点。近年来， 展迅速，随着集成电路制造工艺的不断进步，高性价比的 为一种主流的硬件描述语言，具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面表现出了强 大的生命力和应用潜力。 本论文研究、设计的 计数器 电路 是数字系统中使用最多的时序电路之一，不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。可变模计数器由于计数容量可以根据需要进行变化，为其广泛使用创造了便利。 本论文基于复杂可编程逻辑器件 在 开发环境下，用 言设计了一种具有清零、置数、使能控制、可逆计数和 具有 可变模功能的计数器。 关键词 ： 变模计数器 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 of of DA in of to in in a to In of a in In is as a of it in is is of in It be to be to to so it be I we DL to a 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 录 1 绪 论 . 1 2 . 3 . 3 . 3 块 . 3 据流描述方式 . 3 为描述方式 . 4 构化描述方式 . 4 计模拟 . 4 要素 . 5 识符 注释 格式 . 5 统任务和函数 编译指令 . 5 . 6 据类型 . 6 达式 . 6 电平模型化 . 7 置基本门、多输入门、多输出门 . 7 态门 关 . 8 3 . 10 . 10 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 辑块 . 11 辑宏单元 . 12 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 可编程连线 . 13 可编程的 I/O 控制块 . 13 . 13 . 14 . 14 相同点 . 14 4 开发软件 . 15 . 15 计流程 . 15 每个设计流程中的作用 . 15 形界面 . 16 形用户界面基本设计流程 . 17 用 变模计数器设计流程 . 17 . 18 . 18 真的分类 . 18 . 19 5 可变模计数器实现与仿真 . 21 计数器原理 . 21 变模计数器解析 . 22 变模计数器 . 22 变模计数器的 . 24 合器综合 . 27 级验证平台 . 28 进和升级 . 31 结 论 . 34 参考文献 . 35 致 谢 . 36 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 可变模计数器的设计与实现 1 1 绪 论 20 世纪 70年代，最早的可编程逻辑器件 生了 ，其输出结构是可编程的逻辑 宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为 了 弥补 20 世纪 80 年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件 目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。 有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低 、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品设计 当 中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 件。 从 件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围 ， 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路 ， 其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言 (方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（ “ 在 系统 ” 编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 很久以来，人们使用诸如 些程序本质上是顺序执行的。同样，在硬件设计领域，设计人员也希望使用一种标准的语言来进行硬件设计。在这种情况下，许多硬件描述语言应运而生。在出现的各种硬件描述语言当中， 20世纪 80年代后期，逻辑综合工具的发展对数字电路的设计方法学产生了巨大的影响，设计者可以使用 寄存器传输级对电路进行描述，逻辑综 合工具的出现和发展使得 计者不在需要手工用逻辑门来搭建电路，他们可以使用 后由逻辑综合工具自动综合出由逻辑门及其相互连接构成的电路结构细节，实现 描述和指定的特定功能。目前 经是公认的 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 2 这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）过程，即 使用 首先 打开集成开发软件 (司 I) 写硬件描述语言（ 编译 给出 逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确 进行管脚输入、输出锁定（ 7128的 64个输入、输出管脚可根据需要设定） 生成代码 通过下载电缆将代码传送并存储在 7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下， 相应 位的指示灯应 该 亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。设计好后，如批量生产，可直接复制其他 写入代码即可。如果要对 芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修，这种装修对 计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有 数器在数字系统 中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。 可变模计数器作为一种基本数字电路模块 ,在各种数字系统中 广泛应用。 在对现有的可变模计数器的研究基础上 ， 在 开发环境中 ，通过 对传统的可变模计数器的计数失控问题进行研究 ， 用 并 通过仿真 验证了其各项设计功能 ，仿真 表明该 计数器能达到设计要求， 运行稳定等。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 3 2 介 于从算法级、门级 、开关级的多种 抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。 言具有下述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制 ， 所有这些都使用同一种建模语言。此外， 言提供了编程语言接 口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。 且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用 真器进行验证。语言从 中许多扩展最初很难理解 ， 但是 ， 言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。当然 ,完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。 南 块 模块是 基本描述单位，用于描述某个设计的功能或结构及其与其他模块通信的外部端口。一个设计的结构可使用开关级原语、门级原语和用户定义的原语方式描述 ； 设计的数据流行为使用连续赋值语句进行描述 ； 时序行为使用过程结构描述。一个模块可以在另一个模块中使用。 据流描述方式 用数据流描述方式对一个设计建模的最基本的机制就是使用连续赋值语句。在连续赋值语句中，某个值被指派给线网变量。 连续赋值语句的语法为 : 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 4 A = B ； 右边表达式使用的操作数无论何时发生变化 , 右边表达式都重新计算 , 并且在指定的时延后变化值被赋予左边表达式的线网变量。时延定义了右边表达式操作数变化与赋值给左边表达式之间的持续时间。如果没有定义时延值 , 缺省时延为 0，即为延时，右边的值立即赋给左边线网变量 为描述方式 设计的行为功能使用下述过程语句结构描述： 1) 语句只执行一次。 2) 语句总是循环执行 , 或者说此语句重复执行。 只有寄存器类型数据 存器类型数据在被赋 于 新值前保持原有值不变。所有的初始化语句和 句在 0时刻并发执行。 构化描述方式 在 1) 内置门原语 (门级 )； 2) 开关级原语 (晶体管级 )； 3) 用户定义的原语 (门级 )； 4) 模块实例 (创建层次结构 )。 计模拟 且提供对激励、控制、存储响应和设计验证的建模能力。激励和控制可用初始化语句产生。验证运行过程中的响应可以作为 “ 变化时保存 ” 或作为选通的数据存储。最后，设计验证可以通过在初始化语句中写入相应的语句自动与期望的响应值比较完成。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 5 言要素 识符 注释 格式 的标识符 (以是任意一组字母、数字、 $符号和 _(下划线 )符号的组合，但标识符的第一个字符必须是字母或者下划线。另外，标识符是区分大小写的 ，即 在 第一种形式 : 多行 注释 /* 注释内容 */ 第二种形式 : 在本行结束 / 注释内容 结构可以跨越多行编写，也可以在一行内编写。 空白（新行、制表符和空格）没有特殊意义。 统任务和函数 编译指令 以 $字符开始的标识符表示系统任务或系统函数。任务提供了一种封装行为的机制。这种机制可在设计的不同部分被调用。任务可以返回 0个或多个值。函数除能返回一个值以外与任务相同。此外，函数在 0时刻执行，即不允许延迟，而任务可以带有延迟。 以 （反引号）开始的某些标识符是编译器指令。在 言编译时，特定的编译器指令在整个编译过程中有效（编译过程可跨越多个文件），直到遇到其它的不同编译程序指令。完整的标准编译器指令如下 : * 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 6 * 值 1) 0：逻辑 0或 “ 假 ” 2) 1：逻辑 1或 “ 真 ” 3) x：未知 4) z：高阻 注意这四种值的解释都内置于语言中。如一个为 个为 0的值通常是指逻辑 0。在门的输入或一个表达式中的为 “z” 的值通常解释成 “x” 。此外，就是说，值 0值 0的常量是由以上这四类基本值组成的。 1) 整型 2) 实数型 3) 字符串型 下划线符号（ _）可以随意用 在整数或实数中，它们就数量本身没有意义。它们能用来提高易读性；唯一的限制是下划线符号不能用作为首字符。 据类型 两大类数据类型。 1) 线网类型。 示 的值由驱动元件的值决定，例如连续赋值或门的输出。如果没有驱动元件连接到线网，线网的缺省值为 z。 2) 寄存器类型。 示一个抽象的数据存储单元，它只能在 且它的值从一个赋值到另一个赋值被保存下来 。寄存器类型的变量具有 x 的缺省值。 达式 常量表达式是在编译时就计算出常数值的表达式。通常，常量表达式可由下列要素构 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 7 成 : 1) 表示常量文字 , 如 26。 2) 参数名，如 参数表明 : 4 标量表达式是计算结果为 1位的表达式。如果希望产生标量结果 , 但是表达式产生的结果为向量 , 则最终结果为向量最右侧的位值。 电平模型化 置基本门 、 多输入门 、 多输出门 1、 1) 多输入门： ) 多输出门： ) 三态门： ) 上拉、下拉电阻： ) ) 双向开关： 、 多输入门 内置的多输入门如下 : 些逻辑门只有单个输出， 1个或多个输入。多输入门实例语句的语法如下 : ( n); 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 8 3、 多输出门有 : 些门都只有单个输入，一个或多个输出。 这些门的实例语句的基本语法如下 : ( , 最后的端口是输入端口，其余的所有端口为输出端口。 态门 关 三态门有 : 些门用于对三态驱动器建模。这些门有一个输出、一个数据输入和一个控制输入。三态门实例语句的基本语法如下： ( 第一个端口 输出端口，第二个端口 数据输入， 控制输入。根据控制输入，输出可被驱动到高阻状态，即值 为 z。对于 通过控制输入为 1，则输出为 z；否则数据被传输 至输出端。对于 控制输入为 0，则输出为z。对于 果控制输出为 1，那么输出为 z；否则输入数据值的非传输到输出端。对于 控制输入为 0， 则输出为 z。 向开关有： 些开关是双向的，即数据可以双向流动，并且当数据在开关中传播时没有延时。后4个开关能够通过设置合适的控制信号来关闭。 门时延 ： 可以使用门时延定义门从任何输入到其输出的信号传输时延。门时延可以在门自身实例语句中定义 。 实例数组 ： 当需要重复性的实例时，在实例描述语句中能够有选择地定义范围说明 (范围说明也 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 9 能够在模块实例语句中使用 )。 隐式线网 ： 如果在 么它被缺省声明为 1位线网 。 编译指令格式如下： 译指令在模块定义外出现，并且在下一个相同编译指令或 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 10 3 件原理 介 概念 译的话称为复杂可编程逻辑 芯片 。它也属于大规模集成 电路 的专用集成电路 适合控制密集型数字型数字系统设计，其时延控制方便。 目前集成电路中发展最快的器件之一。 件选型 由于 考虑器件本身的性能外， 配套软件的支持也是器件选择的重要依据。目前市场上已有的 0多个，而设计软件除生产厂家自行研制的软件外还有几十多种独立软件。加上高性能器件的价格已经不菲，更不用说设计软件的价格，所以如何选用合适的件，不只是一件一次性的工作，还涉及到设计软件的选用以及今后进一步工作的开展。 首先，用户应该根据自身的技术环境、技术条件、使用习惯等选择一种合适的软件工具，同时要兼顾 其次，用户可根据设计的需要确定选择哪一类 可编程器 件。如果用于航天、军事领域等性能要求高的领 域，反熔丝技术的一次编程型可编程芯片是首选 。 计步骤 逻辑输入：利用 计软件对逻辑进行设计，一般可以采用原理图、状态图、真值表、硬件描述语言对逻辑进行输入； 逻辑仿真：逻辑设计完成后，可以利用仿真软件来评估所设计逻辑的效果，以减小失败的风险； 逻辑编程：逻辑设计完成后，利用烧录器或 安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 11 成逻辑设计 。 构 部划分 列（ 列（ 以 余基本类似 注： I I/O B I/O C 逻辑块 逻辑块 (称逻辑阵列块（ 基础，由它 来实现基本的逻辑功能。一个逻辑块 个逻辑宏单元构成，不同厂家、不同系列的产品结构略有差异。 可编程连线 接所有的逻辑宏单元，或 I/ I/O 控制块 (责输入输出引脚的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 12 逻辑宏单元主要包括与或阵列、触发器和多路选择器等电路，能独立地配置为组合或时序工作方式。 ，称为输出逻辑宏单元（ 为内部逻辑宏单 元。 辑宏单元 逻辑宏单元结构和 I/辑宏单元具有如下特点： 为提供所需要的逻辑资源，可以借助可编程开关将同一宏单元（或其他宏单元）中未使用的乘积项联合起来使用，这称为乘积项共享。每个宏单元中含有两个或项输出，每个或项均由固定的几个乘积项输入。每个或项输出均可连接到相邻的宏单元，从而提高了各单元或门的使用效率，可实现较复杂的逻辑功能。 图 3辑宏单元乘积项共享结构 多触发器和“隐埋”触发器结构 每个逻辑宏单元内含有两个或两个以上的触发器。其中只有一个可与 I/O 引出端相连，其余均为“隐埋”触发器，不与输出端相连，但可以反馈到与阵列，构成更复杂的时序电路。可提高内部资源利用率。 触发器类型可编程结构通过对输出触发器编程，可实现 4种不同类型触发器结构： D、T、 们与逻辑宏单元相配合，可实现多种逻辑电路结构。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 13 编程连线 各个逻辑宏单元之间以及逻辑宏单元与 I/为基于阵列的内连线和基于多路选择器内连线。 一般采用固定长度 的线段来进行连接，因此信号传输的延时是固定的，使得信号传输时间延时能够预测。 可编程的 I/O 控制块 输 入输出单元（ I/O 单元）要考虑以下一些要求： (1) 能够兼容 (2) 可配置为输入、输出、双向 I/O、集电极开路和三态门等各种组态； (3) 能提供适当的驱动电流，以直接驱动发光二极管等器件； (4) 降低功率消耗，防止过冲和减少电源噪声。 I/供器件外部引脚与内部逻辑之间的连接，主要由触发器和缓冲器组成。 每个 部引脚，可将其编程为输入、输出或双向 I/集电极开路、三态门等。 性能特点 实现较复杂的逻辑，不仅仅因为采用了先进的编程工艺和逻辑结构，还在于提供了先进的数字系统设计开发工具，它具有如下性能特点： （ 1） 可多次编程、改写和擦除。 （ 2） 采用 编程技术 ， 具有高密度、高速度、高可靠性和低功耗。 （ 3） I/ 集成度远远高于 （ 4）有灵活多样的逻辑结构，可满足各种数字电路 系统设计的需要。 （ 5）内部时间延迟与器件结构及逻辑连接等无关，可预测，易消除竞争冒险。 （ 6）有多位加密位，且器件等效数千个逻辑门以上，因此可杜绝编程数据 非法抄袭。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 14 异同 单介绍 目前用途比较广泛的逻辑器件分为两大类： 其中 为现场可编程门阵列。 比较 部资源增加了 大加快处理速度，所以 率更高。 相同点 相同点： 很大程度上具有类似之处，概括起来，可以认为它们都是由以下三部分共同组成： （ 1）输入 /输出单元。 （ 2）逻辑块阵列，是 （ 3）用于连接逻辑块的互连资源，其中可以是各种长度的连线线段，也可以是一些可编程的连接开关，通常用来连接逻辑块之间、逻辑块与输入 /输出块之间的连线。 用一句话概括一下就是他们都是用作逻辑设计，都有可编程能力，基本的功能都可以代替传统的 74系列器件，逻辑又分组合逻辑和时序逻辑。这里的可编程不 是指可以给他编写程序，而是拥有对其功能重新配置的能力， 代码时务必做到心中对所要描述的逻辑和结构心中有数。 表 3区别 途方面 适合算法和组合逻辑 适合时序逻辑 内部资源 触发器资源、 局时钟、布线资源、逻辑查找表 比 出 相环、 、编程方式 在 在 保 密性 保密性好 保密性相对差点 复杂度 相对简单 布线、逻辑能做到很复杂 延迟预测 容易预测延时时间 延迟不可预测 功耗 相对较大 相对较小 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于 变模计数器的设计与实现 15 4 开发软件 I 简述 计流程 I 设计软件提供完整的多平台设计环境，能够满足特定的需要，为可编程芯片系统（ 提供全面的设计环境， I 软件含有 计所有阶段的解决方案。 如图 4 图 4计流程 每个设计流程中的作用 4设计流程的每个阶段提供的功能。 西安培华学院本科毕业论文（设计）