合工大EDA课程实验报告

课 程 设 计 任 务 书（2012 2013 第三学期）设 计 题 目： EDA与数字系统课程设计 学 院 名 称： 电气与自动化工程学院 专 业（班 级）： 自动化11-1班 姓 名（学 号）： 雷锋 起 始 日 期： 2013年7月 1日2012年 7月30日 指 导 教 师： 刘春 朱维勇 系（教研室）负责人： 刘春 朱维勇 目录一、中文摘要.03 二、外文摘要(Abstract) .04三、设计正文.06 实验一 Max+Plus2使用练习.06 实验二 3-8译码器.07 实验三 用74161实现十进制加法计数器.08 实验四 六十进制加法计数器.09 实验五 数码管显示0-9、A-B.10 实验六 两个数码管分别显示1-12和0-59计数.11四、设计题目：多功能数字钟的设计.12 1、设计要求.12. 2、设计原理.12 3、设计内容.13a时钟进位模块.14b校准、定时输入.15 c. 闹钟选择模块.15d. 显示切换模块. .16e. 数据比较器. .16 f数码管扫描显示模块.16五、结论.17六、谢辞.18七、参考文献.18八、附件1：合肥工业大学课程设计任务书.19九、附件2：答辩成绩评定书.20中文摘要 了解各种PLD器件的基本结构，掌握MAX+Plus2的使用方法用图形输入法和Verilog HDL完成规定的基本练习题，在此基础上完成一个数字系统设计题的设计、仿真、下载（FPGA实现）。 MAX+plus（Multiple Array and Programming Logic User System）开发工具是美国Altera公司推出的一种EDA工具，具有灵活高效，使用便捷，易学易用的特点。EDA是电子设计自动化（Electronic Dedign Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大的成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性，这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大的改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化、布局、布线、和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率好可操作性，减轻了设计者的劳动强度。 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或者PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。 关键词：电子设计自动化、Max+Plus 2 ABSTRACTPLD device with all kinds of basic structures, master the using method of MAX + Plus2 with graphical input and Verilog HDL to complete basic exercises, on the basis of the design problem of a digital system design, simulation and download (FPGA). MAX + plus (Multiple Array and Programming Logic User System) development tools is the Altera corporation launched a EDA tool that has a flexible and efficient, convenient use, easy to learn and easy to use features. EDA is the Electronic design Automation (Electronic Dedign Automation), in the early 1990 s from computer aided design (CAD), computer-aided manufacturing (CAM), computer aided test (CAT) and computer aided engineering (CAE), the concept of development. In the 1990 s, the international electronic and computer technology more advanced countries have been actively exploring new methods of electronic circuit design, and design methods, tools, etc, made a thorough change, has been a huge success. In the field of electronic technology, programmable logic devices (CPLD, FPGA) applications, has been widely spread, these components for the design of digital system brings about great flexibility, these devices can be through the software programming and refactoring of the hardware structure and working method, which makes the design of the hardware can be as convenient as software design. All this greatly changed the traditional method of digital system design, design process and design idea, promote the rapid development of EDA technology. EDA technology is computer as tool, the designer on the EDA software platform to complete the design with hardware description language HDL file, and then by the computer automatically complete logic compilation, simplify, division, integration, optimization, simulation, layout, wiring, and until it is fit for a particular target chips compilation, logical mapping and programming downloads, etc. The emergence of EDA technology, greatly improved the efficiency of the circuit design good maneuverability, reduce the labor intensity of the designer. Using EDA tools, electronic stylist can be from concept, algorithm, agreement, etc began to electronic system design, a lot of work can be done through the computer, and electronic products can be from circuit design, performance analysis to design the IC territory or PCB layout the whole process of the computer automatically complete the processing. Now with a very wide concept or category of EDA. Included in the machinery, electronics, communications, aerospace, chemical, mineral, biology, medicine, military and other fields, has the application of EDA. EDA technology is currently in the companies, enterprises and institutions and scientific research widely used teaching department. Such as in aircraft manufacturing process, from design, performance test and analysis until the flight simulation, is likely to be involved in EDA technology.EDA设计步骤1、设计输入：图像输入，或文本输入2、编译（检查语法错误）3、仿真（时序检查）4、管教分配5、编译（检查系统设计错误）6、下载7、实验验证实验一 与门电路设计设计目的：1、熟悉Max+Plus2软件的使用方法。2、完成一个简单电路的设计、输入、编译、仿真。3、熟悉用EDA进行电路设计的详细流程。设计要求：实现与门功能，当a和b作为输入端，y作为输出端时，a、b和y之间存在与门关系。设计原理：设计内容：1.启动File/New菜单，选择Graphic Editor，在原理图编辑器编辑原理图。2.在FILE/SAVE AS菜单之中保存，之后把当前文件转换成顶层文件。3.在Assign/Device菜单选择合适的下载仪器，启动Max+plus II/Compiler菜单，选择Start，开始编译。编译无错，即可开始仿真。仿真图：感悟：虽然只是一个很简单的门电路，却花费了我不少功夫，因为毕竟是第一次使用Max+Plus 2软件，但是收获也是很显著的，总算是在尝试和失败之中寻找到了正确的方法，更是初步学会了使用这款软件独立进行电路设计。 实验二 3-8译码器设计目的：1、进一步熟悉Max+Plus2软件的使用方法。2、完成一基本电路的设计、输入、编译、仿真。3、熟悉用EDA进行电路设计的详细流程。设计要求：实现3-8译码器的功能，当a、b、c作为输入端是，根据a、b、c信号的不同，y0-y7分别输出不同的高低电压。实验原理：仿真图：感悟： 经过上节课的学习和理解，我总算是能按照自己的想法去设计，编译，仿真一个电路，这给与了我很大的鼓舞，让我在后来的电路设计中充满了信心，而且3-8译码器的用途很多，利用a、b、c三个控制端，可以令相应的y输出高低电压，这在后来闹钟切换模块设计中给了我很大的灵感。实验三 用74161实现十进制加法计数器 设计目的：1、利用74161实现十进制2、完成一个十进制电路的设计、输入、编译、仿真。3、学习同步置数和异步清零的异同点。设计要求：利用74161实现十进制的加法计数器，将输出端接在四个LED灯上，则LED灯将按照二进制的数字进行0-9的循环显示，这既可以实现十进制加法。实验原理：仿真图：感悟：十进制加法计数器只是一个开始，学会了这个，后期时钟所用到额12进制、24进制以及60进制，都可以实现。我利用的是同步置数法设计电路，这样QA、QB、QC、QD显示1001，对应的十进制数字9，下一个脉冲到达时就会产生进位信号。因为初始置数为0，因此直接从9跳到0，即可达到了十进制加法计数器的功能。 实验四 六十进制加法计数器 设计目的：1、利用74160和74161实现六十进制2、完成一个六十进制电路的设计、输入、编译、仿真。3、进一步掌握电路设计，编译、模拟、仿真的流程。设计要求：利用74160和74161实现六十进制的加法计数器，由74160实现十进制进位到74161，达到59时利用同步置数原理置零，进而实现六十进制的循环。实验原理：仿真图：感悟：在掌握了十进制加法计数器和六十进制加法计数器的工作原理之后，我已经具备了时钟进位的基本知识，同步置数和异步清零。这些学习的成果带给了我很多乐趣，在今后的EDA课程学习中将带我带来更多了乐趣和激情。虽然小学期的天很热，实验室的条件也很艰苦，但是我在其中也在不停地进步，不停的学习到很多新的东西。 实验五 数码管显示0-9、A-F 设计目的：1、 掌握动态扫描的基本原理。2、 根据扫描频率的不同，数码管将有不同的显示效果。3、 进一步了解十进制和数码管显示之间的关系。设计要求：设计电路，使八个数码管依次显示0、1、2、A、B、E、F实验原理：仿真图：感悟： 通过这次实验，我掌握了动态扫描的基本原理，在扫描频率的变化上会影响到数码管的显示情况。计数信号CLK1时钟为1HZ，扫描信号CLKD由1HZ依次增加时，数码管将由从左到右依次显示0、1、2A、B、CF，逐渐变为八个数码管同步显示为一个数字，并由0、1、2依次增加为A、B、CF，这是由于扫描频率过快导致的现象，通过调节改变扫描频率就可以了。现在所用到的数码管大多数都是利用动态扫描原理的，因为这样可以节约管口资源。另外，此次是要还用到了第二个实验的3-8译码器，使用.gdf格式的文件创建了一个新的元器件ex_2，直接放到电路图之中使用。这样可以很方便节约设计空间，封装每个元件也利于后期的检查和修改。在设计实验多功能时钟里面，更是使用到了这种封装手段。 实验六 两个数码管分别显示1-12和0-59计数 设计目的：1、掌握MUX8_1元件的建立和使用。2、进一步学习数码管的动态扫描原理。设计要求：设计一个电路，使两个数码管显示112的十二进制计数，两个数码管显示059的六十进制计数。实验原理：仿真图： 四、设计题目 多功能数字钟的设计设计目的：1、熟练使用Max+Plus2软件。2、自己进行数字电路设计，并模拟、仿真。3、进一步学习较复杂的数字系统设计方法。设计要求：设计一个能进行时、分、秒计时的十二小时制或二十四小时制的数字钟，并具有定时与闹钟功能，能在设定的时间发出闹铃音，能非常方便地对小时、分钟和秒进行手动调节以校准时间，每逢整点，产生报时音报时。设计原理：多功能时钟可分为主控电路、计数器模块和扫描显示三大部分。 记数器部分的设计是，由秒针的Z60向分针的Z60进位，再向时 针Z24进位，最后向星期的Z7进位，完成一个多功能时钟的计数规律，其中主要用到了74161和74160构成的六十进制、二十四进制和七进制，用同步计数实现时、分、秒以及星期的显示.扫描显示模块在之情的数码管显示实验已经介绍过了，通过CLK的的高频扫描信号，实现动态显示。主控电路的各种特殊功能的实现是这个设计问题的关键，我们通过一个NZXZ的闹钟开关信号，来实现时钟和闹钟显示界面的切换，在两种模式的情况下，时钟系统始终保持计数状态。在模式1，系统计时状态下，通过ts_h和ts_m两个调节开关，可以进行时间的校准；在模式2，系统闹钟状态下，还是ts_h和ts_m这两个调节开关进行闹钟时间的选择，此时通过与非门的组合，可以使调节开关不会干扰到系统时间，进而实现闹钟和时钟功能的实现。设计内容： 用一个电平信号NZXZ（闹钟选择）开关进行模式切换，其中，NZXZ=0为模式1，系统为计时状态，也可以进行手动校时；NZXZ=1为模式2，系统为闹钟设置状态，后台系统依旧维持计时状态。 设置一个RESET信号，当RESET=0时，整个系统复位；当RESET=1时，系统进行计时或其它特殊功能操作。 设置一个ENP/ENT信号，当ENP/ENT=0时，系统停止计时，可以作为手动校准时间，也可以作为计时器计时使用。 设置一个关闭闹铃信号FM，当FM=0时，关闭闹铃信号；FM=1时，可对闹铃进行设置。 当闹铃功能设置后，系统应启动一比较电路，当计时与预设闹铃时间相等时，启动闹铃声，直到关闭闹铃信号或持续一分钟有效。 整点报时由分针计数器Z60想时针计数器Z24产生进位信号时启动，与闹铃声共用一个扬声器驱动信号。 系统计时时钟为CLK1=1Hz，选择另一时钟CLKD=1024Hz作为产生扫描时钟信号。仿真图：a时钟进位模块 利用前面学过的60进制原理，设计成时针、分针、秒针和星期进位。秒针每走60下，就给分针进一位，分针每走60下，就给时针进一位，时针每走24下，就为星期进一位。这样就实现了显示时间和星期的基本时钟功能。原理图：b校准、定时输入 校准时间：当NZXZ=0为模式1，系统为计时状态，此时可以进行手动校时；通过给ts_h和ts_m两个开关脉冲信号，经过或非门和与非门，就可以手动调节时钟时间。闹钟定时：当NZXZ=1为模式2，系统为闹钟设置状态，系统利用CLK1的时钟脉冲依旧维持计时状态，给ts_h和ts_m两个开关脉冲信号，经过或非门和与非门，就可以手动调节时钟时间。这必须保证在调节闹钟信号时，不会产生系统时钟的干扰信号，以免改变系统时间。为了解决这个问题，我设计了以下闹钟选择模块，c. 闹钟选择模块通过闹钟选择开关NZXZ的高低电压，可以实现在闹钟功能和时钟功能之间切换。一来切换显示时钟和闹钟数字，二来使ts_h和ts_m进行调解时互不干扰，将NZXZ给A信号，则对应的y0和y1会输出不同信号，进而在调节闹钟信号时，不会产生系统时钟的干扰信号，不会改变系统时间。d. 显示切换模块将NZXZ信号和闹钟输出信号相与，将NZXZ新号通过非门的传递，和时钟输出相与。这样，当NZXZ=0信号时，闹钟输出信号和NZXZ相与为0，不显示，时钟输出信号和NZXZ的非信号相与，即可显示系统时钟的界面。当NZXZ=1信号时，同理可以知道，数码管将显示闹钟信号的界面。e. 数据比较器将闹钟的时针输出信号Q1h7.4、 Q1h3.0,以及分针输出信号Q1m7.4、Q1m3.0，将和系统时钟的时针输出信号Q2h7.4、 Q2h3.0，以及分针输出信号Q2m7.4、Q2m3.0相互比较，当这两个8位比较器都相等时，两个AEBO的输出信号都是1，这样相与，即可满足二者都为1时，就还满足闹钟响铃信号。f数码管扫描显示模块 这在之前的数码管显示实验中已经使用过了，通过3-8译码器控制八个位信号，当给MS1信号时，对应的那一个八位数码管就被选中了，再利用CLKD的高频扫描信号，依次对MS1、MS2、MS3、MS4、MS5、MS6、MS7进行三秒，就可以实现数码管的动态显示。五、总结课程刚开始的时候，对EDA技术很陌生，也感到很茫然，也非常没有信心，当接触到可编程器件的时候，看到大家同样感到很迷惘。或许，在学习EDA的时候，我比别人更有些优势，因为之前的课余生活中我已经学过一些MaxPLus2的使用方法，但是真正开始学习，我才法相自己之前所知道的不过沧海一粟，面对纷繁复杂的课程任务，我感到身心俱疲，但是我不能放弃，因为身边还有很多同学在坚忍不拔的向前努力。通过一个星期的努力学习，查阅了一些相关技术的书籍，例如李国丽主编的EDA与数字系统设计，王金明主编的数字系统设计与Verilog HDL，以及这学期我们刚学过的数字电子技术基础，这些书籍通过大量的图示对PLD硬件特性与编程技术进行了形象的讲解，而且融合了之前学习的关于电路设计的知识，这些基础性的东西帮助了我们更全面的认识和学习EDA。由于本门课程是一门硬件学习课程，所以实验必不可少。通过大量的实验设计，我们学到了很多在书本上无法得到的知道，明白了理论和实际之间的差距。在最后课程实验多功能电子时钟的设计，我更加深刻认识到由于电路系统内部的子系统乃至部分元器件的工作状态和工作方式可以是相互独立、互不相关的，也可以是互为因果的。这表明，在任一时刻，电路系统可以有许多相关和不相关的事件同时并行发生。例如可以在多个独立的模块中同时入行不同方式的数据交换和控制信号传输，这种并行工作方式是任何一种基于CPU 的软件程序语言所无法描绘和实现的。传统的软件编程语言只能根据CPU 的工作方式，以排队式指令的形式来对特定的事件和信息进行控制或接收。在CPU工作的任一时间段内只能完成一种操作。因此，任何复杂的程序在一个单CPU 的计算机中的运行，永远是单向和一维的。而程序设计者也几乎只需以一维的思维模式就可以编程和工作了。 在这些天的学习过程中，我深深体会到，学习不单单要将理论知识学扎实了，更重要的是实际动手操作能力，学完了课本知识，我并没有觉得自己有多大的提高，相反的，每次做完实验之后，都会感觉自己收获不少，因此，我想在老师今后的教学当中，应当更加注重动手实验，把理论与实践很好的结合起来，才能使同学融会贯通。在实验室才能发现很多你忽视的外界因素的干扰，理想的实验环境永远只能存在理论之后。EDA的课程设计并不仅仅让我们学会了几种软件的操作方法，更重要的是在今后的生活学习中如何去将理论知识转化为实际上的硬件工作，这对于我们以后的就业将产生重要的影响。 六、谢辞 经过这段时间的学习，刘春老师和朱维国老师给了我们很大的帮助，每当遇到困难时，两位老师总是耐心细致的为我们讲解，他们并不仅仅只是将问题的答案讲给我们，更重要是他们带着我们一点点去分析问题，逐步的找出问题的所在，然后凭借已经学过的知识处理问题。 在解决难题的过程中，我们学到了很多处