EDA课程设计报告-8-3优先编码器EDA课程设计报告

Xxxx 大学课程设计任务书 课程 硬件课程设计 题目 8-3 优先级编码器设计 专业 姓名 学号 主要内容、基本要求等 一、主要内容： 利用 EL 教学实验箱、微机和 Quartus软件系统，使用 VHDL 语言输入方 法设计 8-3 优先编码器。可以利用层次设计方法和 VHDL 语言，完成硬件设计设 计和仿真。最后在 EL 教学实验箱中实现。 二、基本要求： 设计并实现一个 8-3 优先级编码器，要求 I0 优先级最高，I7 优先级最低， 编码输出为原码。 三、扩展要求： 输入端加使能端，在使能端为有效的低电平时，进行编码；在使能端为无 效的高电平时，输出高阻状态。 四、参考文献： 1 杨刚,龙海燕.现代电子技术-VHDL 与数据系统设计.北京:电子工业出版社, 2004 2 黄仁欣.EDA 技术实用教程.北京:清华大学出版社,2006 3 潘松.VHDL 实用教程M.成都:电子科技大学出版社,2000 4 李国丽，朱维勇.电子技术实验指导书.合肥：中国科技大学出版社， 20005 宋振辉. EDA 技术与 VHDL.北京：北京大学出版社，2008 完成期限 18-19 周 指导教师 张岩 专业负责人 富宇 2011 年 6 月 28 日 目 录 第第 1 1 章章 概概 述述.1 1.1 EDA 的概念.1 1.2 EDA 技术及应用.2 1.3 EDA 技术发展趋势.2 1.4 Quartus II 特点介绍.3 第第 2 2 章硬件描述语言章硬件描述语言VHDLVHDL.4 2.1 VHDL 的简介.4 2.2 VHDL 语言的特点.4 2.3 VHDL 的设计流程.5 第第 3 3 章章 8-38-3 优先编码器的设计优先编码器的设计 .6 3.1 编码器的工作原理 .6 3.2 8-3 优先编码器的设计.6 3.3 8-3 优先编码器仿真及分析.7 3.4 在实验箱上实现 8-3 优先编码器 .8 结结 论论.11 参考文献参考文献.12 东北石油大学本科生硬件课程设计 1 第第 1 章章 概概 述述 1.1 EDA 的概念 EDA 技术是在电子 CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以 计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化 技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。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 PCB 版图的整 个过程在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。本文所指的 EDA 技术，主要针对电子 电路设计、PCB 设计和 IC 设计。EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实 现级。 EDA 是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统 的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复 杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用 EDA 中的仿真工具 论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用 EDA 中的芯片设计工具设计 制作芯片的版图；在电路板设计阶段，可以使用 EDA 中电路板设计工具设计 多层电路板。特别是支持硬件描述语言的 EDA 工具的出现，使复杂数字系统 设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就 可以进行该数字系统的芯片设计与制造。21 世纪将是 EDA 技术的高速发展 期，EDA 技术将是对 21 世纪产生重大影响的十大技术之一。 硬件描述语言 : 硬件描述语言(HDL)是一种用于进行电子系统硬件设计 的计算机高级语言，它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电 路结构和连接形式。 常用硬件描述语言有 HDL、Verilog 和 VHDL 语言。1 1.2 EDA 技术及应用 EDA 在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在 教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了 EDA 课程。 主要是让学生了解 EDA 的基本概念和基本原理、掌握用 HDL 语言编写规范、 东北石油大学本科生硬件课程设计 2 掌握逻辑综合的理论和算法、使用 EDA 工具进行电子电路课程的实验并从事 简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如 EWB、PSPICE）和 PLD 开发工 具（如 Altera/Xilinx 的器件结构及开发系统） ，为今后工作打下基础。 在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的 EDA 工 具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的 EDA 技术应用、产品 测试等各个环节。如 PCB 的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、 ASIC 的流片过程等。 从应用领域来看，EDA 技术已经渗透到各行各业，如上文所说，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 有应用。另外，EDA 软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软 件，现在增加了很多新用途。如 AutoCAD 软件可用于机械及建筑设计，也扩 展到建筑装璜及各类效果图，汽车和飞机的模型、电影特技等领域。2 1.3 EDA 技术发展趋势 印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年夏合增长 率分别达到了 50%和 30%。 EDA 技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描 述。EDA 技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。EDA 水平不断提高，设 计工具趋于完美的地步。EDA 市场日趋成熟，但我国的研发水平仍很有限， 尚需迎头赶上。EDA 技术在进入 21 世纪后，由于更大规模的 FPGA 器件的 不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的 EDA 软件不断更新、增加，使电子 EDA 技术得到了更大的发展。电子技术全方 位纳入 EDA 领域，EDA 使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包 容，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得 以明确表达和确认成为可能；基于 EDA 工具的 ASIC 设计标准单元已涵盖大 规模电子系统及 IP 核模块；软硬件 IP 核在电子行业的产业领域、技术领 域和设计应用领域得到进一步确认；SoC 高效低成本设计技术的成熟。随 着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法 和设计手段都发生了很大的变化。可以说电子 EDA 技术是电子设计领域的 一场革命。传统的“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历 史舞台，而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。作为高 等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术是势 在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有掌握 了 EDA 技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能生存与发展。随 着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA 技术作为电子产品开发研 制的源动力，已成为现代电子设计的核心。所以发展 EDA 技术将是电子设 计领域和电子产业界的一场重大的技术革命，同时也对电类课程的教学和 东北石油大学本科生硬件课程设计 3 科研提出了更深更高的要求。特别是 EDA 技术在我国尚未普及，掌握和普 及这一全新的技术，将对我国电子技术的发展具有深远的意义。在 EDA 软 件开发方面，目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。 日本、韩国都有 ASIC 设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中 心，也提供 IC 设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更 好的设计工具在各地开花并结果 1.4 Quartus II 特点介绍 Quartus II 是 Altera 公司的综合性 PLD 开发软件，支持原理图、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完 成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程。 Quartus II 可以在 XP、Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式3。具有运行 速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。 Quartus II 支持 Altera 的 IP 核，包含了 LPM/ /MegaFunction 宏功能 模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了 设计速度。对第三方 EDA 工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个 阶段使用熟悉的第三方 EDA 工具。 此外，Quartus II 通过和 DSP Builder 工具与 Matlab/ /Simulink 相结 合，可以方便地实现各种 DSP 应用系统；支持 Altera 的片上可编程系统 （SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体， 是一种综合性的开发平台。 Maxplus II 作为 Altera 的上一代 PLD 设计软件，由于其出色的易用 性而得到了广泛的应用。目前 Altera 已经停止了对 Maxplus II 的更新支 持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变 7。Altera 在 Quartus II 中包含了许多诸如 SignalTap II、Chip Editor 和 RTL Viewer 的设计辅助工具，集成了 SOPC 和 HardCopy 设计流 程，并且继承了 Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。 Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的 设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。4 东北石油大学本科生硬件课程设计 4 第第 2 章章 硬件描述语言硬件描述语言VHDL 2.1VHDL 的简介 VHDL 语言是一种用于电路设计的高级语言。它在 80 年代的后期出 现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开 发周期的一种使用范围较小的设计语言。但是，由于它在一定程度上满足 了当时的设计需求，于是他在 1987 年成为 A I/IEEE 的标准（IEEE STD 1076-1987） 。1993 年更进一步修订，变得更加完备，成为 A I/IEEE 的 A I/IEEE STD 1076-1993 标准。目前，大多数的 CAD 厂商出品的 EDA 软件 都兼容了这种标准。VHDL 的英文全写是：VHSIC（Very High eed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速 集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。 5 2.2 VHDL 语言的特点 VHDL 是一种用普通文本形式设计数字系统的硬件描述语言，主要用 于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，可以在任何文字处理软件环 境中编辑。除了含有许多具有硬件特征的语句外，其形式、描述风格及语 法十分类似于计算机高级语言。VHDL 程序将一项工程设计项目（或称设 计实体）分成描述外部端口信号的可视部分和描述端口信号之间逻辑关系 的内部不可视部分，这种将设计项目分成内、外两个部分的概念是硬件描 述语言（HDL）的基本特征。当一个设计项目定义了外部界面（端口） ， 在其内部设计完成后，其他的设计就可以利用外部端口直接调用这个项目。 VHDL 的主要特点如下： 1. 作为 HDL 的第一个国际标准，VHDL 具有很强的可移植性。 2. 具有丰富的模拟仿真语句和库函数，随时可对设计进行仿真模拟， 因而能将设计中的错误消除在电路系统装配之前，在设计早期就能检查设 计系统功能的可行性，有很强的预测能力。 3. VHDL 有良好的可读性，接近高级语言，容易理解。 4. 系统设计与硬件结构无关，方便了工艺的转换，也不会因工艺变化 而使描述过时。 5. 支持模块化设计，可将大规模设计项目分解成若干个小项目，还可 以把已有的设计项目作为一个模块调用。 6. 对于用 VHDL 完成的一个确定设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑 综合和优化，并能自动地把 VHDL 描述转变成门电路级网表文件。 东北石油大学本科生硬件课程设计 5 7. 设计灵活，修改方便，同时也便于设计结果的交流、保存和重用， 产品开发速度快，成本低。6 2.3 VHDL 的设计流程 它主要包括以下几个步骤： 1.文本编辑：用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的 HDL 编 辑环境。通常 VHDL 文件保存为.vhd 文件，Verilog 文件保存为.v 文件。 2.使用编译工具编译源文件。 3.功能仿真：将文件调入 HDL 仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能 是否正确（也叫前仿真，对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以 后，进行时序仿真） 4.逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成 最简的布尔表达式。逻辑综合软件会生成.edf 或.edif 的 EDA 工业标准文 件。 5.布局布线：将.edf 文件调入 PLD 厂家提供的软件中进行布线，即把 设计好的逻辑安放 PLD/FPGA 内。 6.时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验 证电路的时序。 （也叫后仿真） 通常以上过程可以都在 PLD/FPGA 厂家提 供的开发工具。 7.烧写器件 东北石油大学本科生硬件课程设计 6 第第 3 章章 8-3 优先编码器的设计优先编码器的设计 3.1 编码器的工作原理 八-三优先编码器输入信号为 din0，din1，din2，din3，din4，din5，din6 和 din7，输出信号为 out2、out1、out0。输入信号中 din7 的优先级别最低，依次类推，din0 的优 先级别最高。也就是说若 din0 输入为 1（即为高电平）则无论后续的输入信号 怎么样，对应的这种状态一样，如若 din0 输入为 0（即为低电平）则看优先级 仅次于 din0 的 din1 状态决定，依次类推。因为 din0 到 din7 共 8 中状态，可 以用 3 位二进制编码来表示。8-3 优先编码器真值表如下表所示。 表 3-1 8-3 优先编码器真值表 3.2 8-3 优先编码器的设计 8-3 译码器由 VHDL 程序来实现，VHDL 语言描述如下： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY coder IS PORT ( din : IN STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 7);output : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 2);EANABLE: in std_logic ); END coder; ARCHITECTURE behav OF coder IS SIGNAL SINT : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN 输 入 输 出 din0din1din2din3din4din5din6din7out0out1out2 1xxxxxxx000 01xxxxxx100 001xxxxx010 0001xxxx110 00001xxx001 000001xx101 0000001x011 00000001011 东北石油大学本科生硬件课程设计 7 PROCESS (din) BEGIN IF (EANABLE=0) THEN IF (din(0)=1) THEN output = 000 ; ELSIF (din(1)=1) THEN output = 100 ; ELSIF (din(2)=1) THEN output = 010 ; ELSIF (din(3)=1) THEN output = 110 ; ELSIF (din(4)=1) THEN output = 001 ; ELSIF (din(5)=1) THEN output = 101 ; ELSIF (din(6)=1) THEN output = 011 ; ELSE output = 111 ; END IF ; ELSE output =ZZZ; END IF; END PROCESS ; END behav; 3.3 8-3 优先编码器仿真及分析 八-三优先编码器由 VHDL 程序实现后，其仿真图如图 2-1 所示。 图 3-1 8-3 优先编码器功能仿真图 对其仿真图进行仿真分析：din 为输入信号组，它由 din7-din0 八个输入 信号组成。output 为输出信号组， 它由 output2-output0 三个二进制代码输 出信号组成。enable 为使能端，当 enable 为 0 时编码器工作，当使能端为 1 时输出高阻状态。当 din0 为 1 时，即输入为：1*时，输出 111，当 din0 为 0 时，输出由优先级仅次于 din0 的 din1 决定，即输入为：01*时，输 出 110，紧接着依次类推，分别得出输入为：001*时，输出 101，输入为： 0001*时，输出 100，输入为 00001*时，输出为 011。到此为止由于使能 东北石油大学本科生硬件课程设计 8 段变为高电平，输出信号为高阻状态，但可以推断出当输入为*时，输出 010，输入为*时，输出 001，输入为时，输出为 000。 3.4 在实验箱上实现 8-3 优先编码器 首先设置八-三优先编码器器下载板芯片引脚，如下图所示 图 3-2 引脚设置示意图 试验箱各部分导线链接完毕后开始向实验箱烧录程序，如下图所示 图 3-3 程序烧录示意图 如上图所示程序已经成功烧录进芯片中，下面开始在实验箱上实现 8-3 编码 器的功能。 下图为实验箱的具体连线图 东北石油大学本科生硬件课程设计 9 图 3-4 实验箱连线示意图 由上图可知，使能端为 0 芯片正常工作，d0 至 d7 输入端均为 0，则输出端 应为111 ，输出结果如下图所示： 图 3-5 输出结果示意图 下面测试使能端为 1 时芯片的工作情况： 东北石油大学本科生硬件课程设计 10 图 3-6 输入端示意图 由上图所示，使能端为 1 芯片不工作，输入端取任意值，此时输出端应为高阻 状态，输出结果如下图所示： 图 3-7 输出端示意图 输出端为高阻状态，没有灯亮。 东北石油大学本科生硬件课程设计 11 结结 论论 通过两星期的紧张工作，最后完成了我的设计任务基于 VHDL 的编码器 的设计。通过本次课程设计的学习，我深深的体会到设计课的重要性和目的性 所在。本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，也培养了我们灵活运用课 本知识，理论联系实际，独立自主的进行设计的能力。它不仅仅是一个学习新 知识新方法的好机会，同时也是对我所学知识的一次综合的检验和