《SOC 设计方法与实现》实验报告

《SOC设计方法与实现》实验报告2实验目的完成一个数字系统的VerilogHDL描述和利用EDA工具的VerilogHDL仿真综合环境对这一描述进行仿真并综合，完整地从事一个数字VLSI系统的设计过程，理解和掌握现代集成电路的设计流程、硬件描述语言综合理论等高层次设计方法以及它和物理实现之间的关系，巩固在理论课阶段学习的相关知识。3实验平台代码输入工具:QuartusII功能仿真:ModelSimSE6.2b综合工具：DC，SynplifyPro8.6.24实验内容设计一个数字信号处理器系统，其功能为：在8位微控制器Intel8051的控制下对输入信号进行数字滤波处理并根据输入数据的大小产生一组控制液晶板的显示。系统框图如下：Intel8051是微处理器；TH99CHLS是要实现的系统。Display是一个液晶显示板。它包括三个显示区：一个时间显示区，一个数字显示区和一个由16个小方块组成的信号幅度显示区。显示面板为共阴极驱动，接高电平时对应的面板显示，接低时面板消失。其结构见下图所示。5：系统简介和对应的模块划分5.1:系统的整体工作过程：(1)在外部信号PEbar的控制下，芯片从端口in读入一个八位数据。(2)在(1)中输入的数据与微处理器给出的另一个八位数据进行按位“与”操作。(3)在(2)中处理过的数据经数字滤波后从端口out输出。(4)TH99CHLS内部产生一组时间信号，包括时和分，其格式为：(hh:mm)。这组时间信号的初值由微处理器给出，微处理器可以随时对时间信号进行修改。(5)送往液晶显示板的信号有三组：a.(4)中产生的时间信号，经七段译码后从端口hour和minute送出；b.(3)中经数字滤波的信号，在转换成十进制并做七段译码后，百位经端口c.(3)中经数字滤波的信号，在经过y=x压缩后通过端口ap送出。5.2：数字滤波器数字滤波器的转移函数为：滤波器的系数B0，B1，...，B6均由微处理器给出。微处理器可以根据需要修改这些系数。5.2:系统模块说明和代码说明：根据功能分析，将整个系统分为8个模块。各个模块对应的源文件和功能描述如下表所示。模块名称对应源文件功能说明将四位二进制译码为LED显示。示装置，为组合逻辑。H2DH2D.v进行16进制到十进制的转换。输入为8bit无符号数，输出为百，十，个位数字(其中每个数字4bit位宽)，同样为组合逻辑decoder_4X16decoder_4X16y=sqrt(x)压缩后的数据送至显示合逻辑。主要实现y=sqrt(x)的运算。主要是通过比较和查找表方式实现。一个时钟周期。乘法器设计。通过移位加的方式实现。内部通过状态机实现。完成一次乘法需要8个时钟周期时间时钟模块，主要是根据系统时钟计算秒。通过计数器级联的方式实现。这是整个系统比较核心的部分。主要实现滤波器的设计和与微处理器的接口时序设计。接口需要三态控制，并且要注意读写信号的控制，滤波器采用并行设计，用面积换取速度。TH99CHLSTH99CHLS.v顶层元件例化。主要是将上述各个模块进行组合。整个功能框图如下：Usqtdecoder_4X16Ude4X16_wbar_npebar_ncs_n decoderUdecoder1 decoderUdecoder2 Usqtdecoder_4X16Ude4X16_wbar_npebar_ncs_n decoderUdecoder1 decoderUdecoder2 pebar_ncs_nH2DUH2d1decoderUdecoder3decoderUdecoder4decoderUdecoder5decoderUdecoder6decoderUdecoder76：代码功能测试下面是测试用的模块介绍，模拟TH99CHLS外围的单片机、控制信号和数据输入等：模块名称对应的源文件功能说明产生时钟频率和复位信号滤波器数据的输入wr_rd单片机WR,RD信号的模拟mcumcu.v主要是模拟单片机对TH99CHLS芯片的控制，包括寄存器的读入与读出等一系列操作顶层测试文件，主要是进行元件例化ModelSimSE功能仿真结果波形图如下：第一张图为前0-7us,第二张图为7us-15us.详细图形见source中的1.bmp和2.bmp.也可以查看其下的vsim.wlf(需要安装modelsim)。此图为对TH99CHLS芯片内部b0-b6(滤波器系数)寄存器的操作和对mini,hour寄存器初始化的操作仿真结果。7：综合结果及分析Synplify综合结果如下：DC综合结果如下：8：所占用的资源和数据通道分析该系统所占用的资源如下：在滤波器设计中，并没有采用乘法器的复用，而是采用了多个乘法器的复制，牺牲面积来换取速读的提高。综合后的频率能够达到50MHz。滤波器的数据通道如下用多个乘法器）9：VerilogHDL代码TH99CHLSUTH99(wbar_n,hour,minimcuUmcu(endmodulemoduledecoder(hex,endmodulemoduleTH99CHLS(wbar_n,hour,miniendmodulemodulewr_rd(wbar_n,parameterMCU_CLK=40;//25MHzparameterLL_DELAY=15;#MCU_CLK;#LL_DELAY;#LL_DELAY;#MCU_CLK;#MCU_CLK;#MCU_CLK;#MCU_CLK;#LL_DELAY;abus_low=read_addr;#LL_DELAY;#MCU_CLK;#MCU_CLK;#MCU_CLK;#MCU_CLK;endmodulemoduledecoder_4X16(endmodulewbar_n,hour,/*****************************//******************************************/abus_low<=dbus_in;end*/abus_low<=dbus_xio;/***************************************//*******************************************/4'b0111:dbus<=mcu_num;/********************************///inputthenum/********************************/wire[15:0]add_mul3456=add_mul34+addfir_out<=add_mul012+add_mul3456;endmoduleendmodulemoduleH2D(hex,hud,numhud=4'b0010;hud=4'b0000;num=hex_inner;endmodulemodulemcu(wbar_n,parameterMCU_CLK=40;//25MHzparameterLL_DELAY=15;parametermcu_num=8'hff;parametermcu_num_addr=8'h7;wr_rdUwrd(dbus_xio,wbar_n,#MCU_CLK;Uwrd.read_register(mcu_num_addr,if(mcu_num==mcu_numr)$display("mcu_numwr_rdisright,mcu_num=%h",mcu_num);endmodulemul_out_en,mul_out,mul_ina,mul_inb,parameterINPUT_WIDTH=8;parameterOUTPUT_WIDTH=16;parameterIDLE=4'b0000;parameterSTAGE_ONE=4'b0001;parameterSTAGE_TWO=4'b0010;parameterSTAGE_THREE=4'b0011;parameterSTAGE_FOUR=4'b0100;parameterSTAGE_FIVE=4'b0101;parameterSTAGE_SIX=4'b0110;parameterSTAGE_SEVEN=4'b0111;parameterSTAGE_EIGHT=4'b1000;outputreg[OUTPUT_WIDTH-1:0]mul_out;input[INPUT_WIDTH-1:0]mul_ina,mul_inb;reg[INPUT_WIDTH-1:0]inb;reg[OUTPUT_WIDTH-1:0]shifter;reg[OUTPUT_WIDTH-1:0]add_reg;nextstate=STAGE_ONE;STAGE_ONE:nextstate=STAGE_TWO;STAGE_TWO:nextstate=STAGE_THREE;STAGE_THREE:nextstate=STAGE_FOUR;STAGE_FOUR:nextstate=STAGE_FIVE;STAGE_FIVE:nextstate=STAGE_SIX;STAGE_SIX:nextstate=STAGE_SEVEN;STAGE_SEVEN:nextstate=STAGE_EIGHT;STAGE_EIGHT:mul_out<=add_reg;mul_out_en<=1'b1;STAGE_ONE:beginSTAGE_TWO:beginSTAGE_THREE:beginSTAGE_FOUR:beginSTAGE_FIVE:beginSTAGE_SIX:beginSTAGE_SEVEN:beginSTAGE_EIGHT:beginendmoduleparameterCLK_PERIOD=20;parameterMULTI_RATIO=2;parameterRESET_TIME=CLK_PERIOD*MULTI_RATIO+1;#RESET_TIMErst_n=1'b1;endmoduleendmoduleendmoduleendmoduleendmoduleendmodulefreelancedwithCNNforfouryears,coveringsevereweatherfromtornadoestotyphoons.(CNN)--IwillalwayswonderwhatitwasliketohuddlearoundashortwaveradioandSputnik.IalsomissedwatchingNeilArmstrongstepfootonthemoonandthefirstspaceAsakid,Iwasfascinatedwithwhatgoesoninthesky,andwhenNASApulledtheplugontheshuttleprogramIwasheartbroken.Yettheprivatizedspaceracehasrenewedmyanxiousforthenextone:aspacecapsulehangingfromacraneintheNewMexicodesert.YouandIwillhavethechancetowatchamantakealeapWatchmanjumpfrom96,000feetTuesday,IsatatworkgluedtothelivestreamoftheRIfeelthismissionwascreatedformebecauseIamalsoajournalistandaphotographer,Theguywhoisgoingtodothis,FelixBaumgartner,musthavethatsamefeeling,ataupperendofouratmosphere.Assoonasthe40-acreballoon,withskinnothickerthanadrycleaningbag,scrapedthegroundIknewitwasover.Howclaustrophobiaalmostgroundedsupersonicskydiverrecordholderand"capcom"(capsulecommunications),Col.JoeKittinger.HehunghisheadlowinmissioncontrolashetoldBaumgartnerthedisappointingnews:Missionaborted.ThesupersonicdescentcouldhappenasearlyasSunday.Then,Iwouldassume,hewillslowlystepoutonto