1、數(shù)字電路與邏輯設計實驗電子工程學院電路中心http:/1主要內(nèi)容 課程介紹 數(shù)字系統(tǒng)設計 狀態(tài)機的設計 注意事項 綜合實驗題目第一部分 課程介紹3課程安排實驗內(nèi)容：完成一個綜合課題的設計及仿真、調(diào)試。本學期實驗教學進度：內(nèi) 容1講授內(nèi)容：狀態(tài)機、系統(tǒng)設計方法、綜合題目要求等實驗內(nèi)容：確定題目、討論設計方案2綜合課題設計與實現(xiàn)，檢查設計方案3綜合課題設計與實現(xiàn)，檢查程序4綜合課題設計與實現(xiàn)，功能驗收及交流答辯4考核方式不進行考試考核項目及成績評定操作成績（40%）包括實驗態(tài)度及整理、預習、軟件使用、程序編寫及仿真波形等 驗收答辯（40%）包括功能驗收和交流答辯 實驗報告（20%）5考核方式評定標

2、準實驗態(tài)度：包括考勤、紀律等，實驗結(jié)束時關(guān)閉計算機、穩(wěn)壓電源、示波器等儀表，保持實驗臺清潔、整齊。實驗設計方案（預習）：根據(jù)選定的題目，課下進行預習，完成系統(tǒng)設計，第二次實驗課時進行檢查，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、方框圖（模塊劃分）、模塊之間信息傳遞關(guān)系、各模塊的輸入輸出信號、主要模塊的詳細設計（ASM圖、MDS圖）等。軟件使用及程序驗收：包括熟練使用QuartusII軟件進行設計，程序及仿真波形驗收。硬件驗收：包括實現(xiàn)的各項功能情況，根據(jù)題目的要求進行評定。 交流答辯：主要是實驗中的經(jīng)驗教訓、心得體會等，答辯最后一次課上進行，每人不超過3分鐘，自愿參加 。6課題報告要求內(nèi) 容分數(shù)1設計課題

3、的任務要求52系統(tǒng)設計（包括設計思路、總體框圖、分塊設計）203仿真波形及波形分析204源程序（要有注釋）205功能說明56元器件清單及資源利用情況57故障及問題分析108總結(jié)和結(jié)論109報告格式規(guī)范、清晰5電子版和紙版各提交一份最后一次實驗后一周之內(nèi)提交第二部分 數(shù)字系統(tǒng)設計8主要內(nèi)容數(shù)字系統(tǒng)概述數(shù)字系統(tǒng)設計方法數(shù)字系統(tǒng)設計的描述方法 其它概念9綜合實驗題目數(shù)字鐘 數(shù)字秒表交通燈控制器點陣顯示控制器 簡易乒乓游戲機 拔河游戲機 經(jīng)典數(shù)學游戲 洗衣機控制器簡易俄羅斯方塊游戲機 簡易貪食蛇游戲機 簡易樂曲播放器簡易函數(shù)發(fā)生器 簡易數(shù)字頻率計 PS/2鍵盤接口設計 VGA圖像顯示控制器 數(shù)字溫濕度

4、計數(shù)字溫度計（I2C總線）串口通信控制器10數(shù)字系統(tǒng)概述數(shù)字系統(tǒng)：由若干數(shù)字電路和邏輯部件構(gòu)成的能夠處理或傳送數(shù)字信息的設備。 數(shù)字系統(tǒng)的三大組成部分：輸入輸出接口、數(shù)據(jù)處理器、控制器 區(qū)分數(shù)字系統(tǒng)與功能部件（數(shù)字單元電路）的標志：有無控制器11數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖子系統(tǒng)輸入控制信號輸出控制信號信息輸入輸出信息控 制 器輸出接口輸出接口輸入接口輸入接口子系統(tǒng)子系統(tǒng)時鐘數(shù)據(jù)處理器12數(shù)字系統(tǒng)設計方法自底向上（bottom-up）設計法（試湊設計法）用試探的方法按給定的功能要求，選擇若干模塊（功能部件）來拼湊一個數(shù)字系統(tǒng)。主要憑借設計者的熟練技巧和經(jīng)驗來實現(xiàn)適用于小型數(shù)字系統(tǒng)的設計13數(shù)字系統(tǒng)設計方法

5、自頂向下（top-down）設計法從整個系統(tǒng)功能出發(fā)，按一定原則將系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，再將每個子系統(tǒng)分為若干功能模塊，再將每個模塊分成若干較小的模塊直至分成許多基本模塊實現(xiàn)。14自頂向下設計法的步驟（一）確定初步方案，進行系統(tǒng)設計和描述；明確設計課題的任務、要求、原理和使用環(huán)境，系統(tǒng)外部輸入信號及輸出信號的特性，以及系統(tǒng)所需要完成的邏輯功能和所要達到的技術(shù)指標等，然后確定初步方案。描述方法：方框圖、定時圖（時序圖）、邏輯流程圖。15自頂向下設計法的步驟（二）系統(tǒng)劃分，進行子系統(tǒng)功能描述；將系統(tǒng)劃分為控制器和受控電路兩部分， 受控電路又可以用各種模塊（子系統(tǒng)）實現(xiàn)。確定使用哪些子系統(tǒng)，以及各子

6、系統(tǒng)與控制器之間的關(guān)系。對各子系統(tǒng)和控制器進行功能描述：ASM圖、MDS圖等16自頂向下設計法的步驟（三）邏輯描述，完成具體設計。設計具體電路。傳統(tǒng)方法：用標準的SSI、MSI、LSI或GAL等器件實現(xiàn)受控電路；用時序機設計方法實現(xiàn)控制器。EDA方法：用PLD器件實現(xiàn)電路設計。 自頂向下的設計過程是一個反復修改和補充的過程。17例1：兩人乒乓游戲機以8個發(fā)光二極管代表乒乓球臺，中間兩個發(fā)光管兼作球網(wǎng)。用發(fā)光管按一定的方向依次閃亮來表示球的運動，在游戲機兩側(cè)各設發(fā)球/擊球開關(guān)SA和SB，當甲方發(fā)球時，靠近甲方的第一個發(fā)光管亮，然后依次點亮第二個球向乙方移動，球過網(wǎng)后到達設計者的規(guī)定的球位乙方即可

7、擊球，若乙方提前擊球或未擊到球，則甲方得分。然后重新發(fā)球進行比賽，直到某一方記分達到規(guī)定分，記分清零，重開一局比賽。18兩人乒乓游戲機結(jié)構(gòu)框圖19模塊劃分分頻模塊記分模塊球臺顯示模塊譯碼模塊控制器根據(jù)控制器的指令控制發(fā)光二極管的亮滅將分數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示對應的譯碼數(shù)據(jù)記錄雙方的得分將原始時鐘分頻，產(chǎn)生系統(tǒng)中不同模塊需要的時鐘頻率20數(shù)字系統(tǒng)的描述方法（一）方框圖可詳細描述數(shù)字系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，直觀易懂每一個方框定義一個信息處理、存儲或傳送的子系統(tǒng)，在方框內(nèi)用文字、表達式、通用符號或圖形來表示該子系統(tǒng)的名稱或主要功能方框之間用帶箭頭的直線相連，表示各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流或控制流的信息通道，箭頭指示了

8、信息傳送的方向21兩人乒乓游戲機邏輯劃分方框圖分頻器球臺控制器譯碼顯示器記分器SA SBCPmSCSTOPCNT,Cr22數(shù)字系統(tǒng)的描述方法（二）定時圖（時序圖或時間關(guān)系圖）用來定時地描述系統(tǒng)各模塊之間、模塊內(nèi)部各功能組件之間以及組件內(nèi)部各門電路或觸發(fā)器之間輸入信號、輸出信號和控制信號的對應時序關(guān)系和特征（信號是電平還是脈沖，是同步信號還是異步信號等）。23數(shù)字系統(tǒng)的描述方法（三）ASM（Algorithmic State Machine ） 圖（算法狀態(tài)機圖、邏輯流程圖）用特定的幾何圖形、指向線和簡練的文字說明，描述數(shù)字系統(tǒng)對信息的處理過程，以及控制單元所提供的控制步驟，以便于設計者發(fā)現(xiàn)和改

9、進信息處理過程中的錯誤和不足，同時又是后續(xù)電路設計的依據(jù)與通常的軟件設計中的流程圖相似，但它表示事件的精確時間間隔序列，而一般的流程圖只表示事件序列，沒有時間概念24ASM圖的基本符號狀態(tài)名或功能說明狀 態(tài)輸出表入口出口（A） 狀態(tài)框功能說明入口出口條 件輸出表（C）條件輸出框條件入口條件真出口條件假出口（B）條件判別框NOYES25啟動等待發(fā)球甲發(fā)球？乙發(fā)球？靠近甲的L1燈亮靠近乙的L8燈亮球向乙移動球向甲移動乙擊球？甲擊球？球移動到L7？球移動到L2？結(jié)束，勝方得分YesYesYesYesYesYesNoNoNoNoNoNo兩人乒乓游戲機的ASM圖26數(shù)字系統(tǒng)的描述方法（四）MDS（Mne

10、monic Documented State）圖MDS圖是設計數(shù)字系統(tǒng)控制器的一種簡潔方法，它類似于狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，可以由詳細流程圖轉(zhuǎn)換而來。MDS圖中用一個圓圈表示一個狀態(tài)，狀態(tài)名標注在圓圈內(nèi)，圓圈外的符號或邏輯表達式表示輸出，用定向線表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向，定向線旁的符號或邏輯表達式表示轉(zhuǎn)換條件。27WaitLight1Light8MoveBMoveAEndSA SBSA SBSA SBSA SB L7SA L2SA L2SB L7兩人乒乓游戲機的MDS圖28例2：交通燈控制器設計制作一個用于十字路口的交通燈控制器。 南北和東西方向各有一組綠、黃、紅燈用于指揮交通，綠燈、黃燈和紅燈的持續(xù)時間分別為2

11、0秒、5秒和25秒； 當有特殊情況（如消防車、救護車等）時，兩個方向均為紅燈亮，計時停止，當特殊情況結(jié)束后，控制器恢復原來狀態(tài)，繼續(xù)正常運行；用兩組數(shù)碼管，以倒計時方式顯示兩個方向允許通行或禁止通行的時間； 29交通燈控制器結(jié)構(gòu)框圖30交通燈控制器邏輯劃分方框圖南北燈東西燈控制器計時器分頻器時鐘譯碼顯示器resetcallcp31交通燈控制器的ASM圖32交通燈控制器的MDS圖Green_redred_YellowYellow_redred_GreenTyTgTyTgTgTgTyTy第三部分狀態(tài)機的設計34用戶自定義數(shù)據(jù)類型在VHDL中，用戶可以自己定義數(shù)據(jù)類型。可由用戶定義的數(shù)據(jù)類型有：枚舉

12、類型整數(shù)、實數(shù)、浮點數(shù)類型數(shù)組類型存取、文件、記錄、時間類型語法描述（枚舉類型）：TYPE week IS (sun，mon，tue，wed，thu，fri，sat) ; TYPE 數(shù)據(jù)類型名 IS 數(shù)據(jù)類型定義 ;舉例35用戶自定義數(shù)據(jù)類型用戶自定義數(shù)據(jù)類型定義語句TYPE m_state IS ( s0，s1，s2，s3，s4，s5 );SIGNAL pre_state，next_state : m_state ;CASE pre_state ISWHEN s0 = next_state next_state IF (d_in=1) THEN next_state =s1;ELSE nex

13、t_state IF (d_in=1) THEN next_state = s2;ELSE next_state IF (d_in=0) THEN next_state =s3;ELSE next_state IF (d_in=0) THEN next_state =s0;ELSE next_state =s1; END IF;END CASE;END PROCESS;44三進程方式描述狀態(tài)機（三）P2:PROCESS(clk) -狀態(tài)寄存器BEGINIF (clkEVENT AND clk = 1) THENcurrent_state f f f f IF (d_in=1) THEN sta

14、te =s1;ELSE state =s0; END IF;f IF (d_in=0) THEN state =s0;ELSE state =s1; END IF; f IF in1=1 THEN out1 IF in1=1 THEN out1=“1111”; END IF;END CASE;END PROCESS ;第四部分注意事項52行輸入列輸入88發(fā)光點陣點陣10 1 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 100000000001010053按鍵開關(guān)防抖動由于按鍵動作的時刻和按下的時間長短是隨機的。并且存在由開關(guān)簧片反彈導致的電平抖動，抖動的時間一般小于20mS，因此必須為每

15、個按鍵開關(guān)設置一個消抖和同步電路，此電路可有多種形式。54按鍵開關(guān)防抖動程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY keyin ISPORT(clk: INSTD_LOGIC;reset: INSTD_LOGIC;resetn : OUT STD_LOGIC);END keyin;ARCHITECTURE a OF keyin ISSIGNAL resetmp1,resetmp2 : STD_LOGIC;BEGINPROCESS(clk)BEGINIF (clkEVENT AND clk=0) THENresetmp2= resetmp1

16、;resetmp1= reset;END IF;END PROCESS;resetn=clk AND resetmp1 AND (NOT resetmp2);END a;55按鍵開關(guān)防抖動程序仿真波形按一次鍵，只產(chǎn)生一個脈沖，脈沖寬度為防抖動時鐘的脈寬。防抖動時鐘的頻率為100HZ左右56CPLD/FPGA資源優(yōu)化問題通過優(yōu)化，可以使用規(guī)模更小的可編程邏輯芯片，從而降低系統(tǒng)成本；對于許多可編程邏輯器件，由于布線資源有限，耗用資源過多會嚴重影響電路性能；為以后的技術(shù)升級留下更多的可編程資源，方便添加產(chǎn)品功能；對于多數(shù)可編程邏輯器件，資源耗用太多會使器件功耗顯著上升。57常用優(yōu)化方法軟件優(yōu)化資源共

17、享串行化正確使用VHDL描述58QuartusII的優(yōu)化選項資源共享針對耗費邏輯資源比較多的模塊，通過選擇、復用的方式共享該模塊，以減少資源使用。6060if (sel = 1) thensum = a + b;elsesum = c + d;end if;61if (sel = 1) thentemp1 = a;temp2 = b;elsetemp1 = c;temp2 = d;end if;sum clk ,reset=reset, cnt=cnt1 );elseu2: cnt16_down port map (clk=clk ,reset=reset ,cnt=cnt2 );End if

18、; u1: cnt16_up port map (clk=clk ,reset=reset, cnt=cnt1 );u2: cnt16_down port map (clk=clk ,reset=reset ,cnt=cnt2 );process(updown,cnt1,cnt2)beginif updown=1 thenled=cnt1;elseled=cnt2;end if;end process; 90內(nèi)部信號使用entity cnt5_1 is port (clk: in STD_LOGIC;cnt: out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0) );end cnt5_1;signal count: STD_LOGIC_VECTOR (3 d