基于FPGA的数字秒表设计

草鱼基于FPGA的数字秒表设计草鱼摘要PORK该设计是用于体育比赛的数字秒表,基于FPGA在QUARTUS草鱼II草鱼90SP2软件下应用VHDL语言编写程序,采用ALTRA公司CYCLONEII系列的EP2C8Q208芯片进行了计算机仿真，鲤鱼并给出了相应的仿真结果。草鱼本设计有效的克服了传统的数字秒表的缺点采用EDA技术采取自上而下的设计思路。草鱼绘制出了具体的逻辑电路，鲤鱼最后又通过硬件上对其进行调试和验证。草鱼该电路能够实现很好的计时功能,计时精度高，鲤鱼最长计时时间可达一个小时。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼关键字PORK数字秒表；PORKEDA；PORKFPGA；PORKVHDL；PORKQUARTUS草鱼II草鱼THE草鱼DESIGN草鱼OF草鱼DIGITAL草鱼STOP草鱼WATCH草鱼BASED草鱼ON草鱼FPGA草鱼ABSTRACTPORKTHIS草鱼DESIGN草鱼IS草鱼A草鱼DIGITAL草鱼STOP草鱼WATCH草鱼WHICH草鱼IS草鱼USED草鱼FOR草鱼ATHLETIC草鱼CONTESTS草鱼AND草鱼IS草鱼BASED草鱼ON草鱼FPGA草鱼USING草鱼VHDL草鱼LANGUAGE草鱼TO草鱼WRITE草鱼PROGRAM草鱼IN草鱼QUARTUS草鱼II草鱼SOFTWARE,ADOPTING草鱼EP2C8Q208草鱼CHIP草鱼OF草鱼CYCLONEII草鱼SERIES草鱼OF草鱼ALTRA草鱼COMPANY草鱼FOR草鱼COMPUTER草鱼SIMULATION草鱼AND草鱼AT草鱼THE草鱼SAME草鱼TIME草鱼SHOWING草鱼THE草鱼CORRESPONDING草鱼SIMULATION草鱼RESULT草鱼THIS草鱼DESIGN草鱼EFFECTIVELY草鱼OVERCOMES草鱼THE草鱼TRADITIONAL草鱼DIGITAL草鱼STOP草鱼WATCH草鱼WEAKNESSES草鱼AND草鱼TAKES草鱼A草鱼TOPDOWN草鱼APPROACH草鱼TO草鱼DESIGN草鱼DRAW草鱼OUT草鱼A草鱼PARTICULAR草鱼LOGIC草鱼CIRCUITS,草鱼AND草鱼FINALLY草鱼PASS草鱼THE草鱼CIRCUITS草鱼TO草鱼THE草鱼HARDWARE草鱼TO草鱼DEBUG草鱼AND草鱼VERIFY草鱼ITTHIS草鱼CIRCUIT草鱼IS草鱼ABLE草鱼TO草鱼CARRY草鱼OUT草鱼EXCELLENT草鱼TIMING草鱼FUNCTION,HAS草鱼HIGH草鱼TIMING草鱼PRECISION,AND草鱼THE草鱼LONGEST草鱼TIMING草鱼TIME草鱼COULD草鱼REACH草鱼AN草鱼HOUR草鱼KEY草鱼WORDS草鱼DIGITAL草鱼STOP草鱼WATCH；PORKEDA；PORKFPGA；PORKVHDL；PORKMAX草鱼PLUS草鱼引言草鱼草鱼数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品，鲤鱼其设计也是EDA技术中最基本的设计实验之一1。草鱼当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。草鱼数字集成电路本身在不断进行更新换代,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。草鱼系统设计师更愿意自己设计专业集成电路ASIC芯片,而且希望设计周期尽可能短,最好在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片并且立即投入实际应用之中，鲤鱼因而出现了现场可编程器件2（FPLD）。草鱼现场可编程门阵列（FPGA）即属其中应用最广泛的一种。草鱼超高速硬件描述语言VHDL，鲤鱼是对数字系统进行抽象的行为与功能描述到具体的内部线路结构描述，鲤鱼利用EDA工具可以在电子设计的各个阶段、PORK各个层次进行计算机模拟验证，鲤鱼保证设计过程的正确性，鲤鱼可大大降1低设计成本，鲤鱼缩短设计周期3。草鱼本文介绍的数字秒表，鲤鱼利用基于VHDL的EDA设计工具，鲤鱼采用大规模可编程逻辑器件FPGA，鲤鱼通过设计芯片来实现系统功能。草鱼给出了顶层电路图,和各模块的设计增加了消除抖动的控制方法,消除了开关按键的机械抖动通过编辑、PORK编译和器件编程,草鱼并将编程器文件下载到SE5型EDA实验开发板上4,经实际电路测试验证,达到了预期的设计要求,显示结果准确无误。草鱼草鱼草鱼概述草鱼在科技高度发展的今天，鲤鱼集成电路和计算机应用得到了高速发展。草鱼尤其是计算机应用的发展。草鱼它在人们日常生活已逐渐崭露头角。草鱼大多数电子产品多是由计算机电路组成，鲤鱼如PORK手机、PORKMP3等。草鱼而且将来的不久他们的身影将会更频繁的出现在我们身边。草鱼各种家用电器多会实现微电脑技术。草鱼电脑各部分在工作时多是一时间为基准的。草鱼本文就是基于计算机电路的时钟脉冲信号、PORK状态控制等原理设计出的数字秒表1。草鱼秒表在很多领域充当一个重要的角色。草鱼在各种比赛中对秒表的精确度要求很高，鲤鱼尤其是一些科学实验。草鱼他们对时间精确度达到了几纳秒级别。草鱼草鱼11设计要求草鱼1草鱼能对0秒59分5999秒范围进行计时，鲤鱼显示最长时间是59分59秒；PORK草鱼2草鱼计时精度达到10MS；PORK草鱼3草鱼设计复位开关和启停开关，鲤鱼复位开关可以在任何情况下使用，鲤鱼使用以后计时器清零，鲤鱼并做好下一次计时的准备。草鱼草鱼12数字秒表设计的目的草鱼本次设计的目的就是在掌握EDA实验开发系统的初步使用基础上，鲤鱼了解EDA技术，鲤鱼对计算机系统中时钟控制系统进一步了解，鲤鱼掌握状态机工作原理，鲤鱼同时了解计算机时钟脉冲是怎么产生和工作的。草鱼在掌握所学的计算机组成与结构课程理论知识时。草鱼通过对数字秒表的设计，鲤鱼进行理论与实际的结合，鲤鱼提高与计算机有关设计能力，鲤鱼提高分析、PORK解决计算机技术实际问题的能力。草鱼通过课程设计深入理解计算机结构与控制实现的技术，鲤鱼达到课程设计的目标。草鱼草鱼13草鱼EDA技术草鱼EDA是指以计算机为工作平台，鲤鱼融合了应用电子技术、PORK计算机技术、PORK智能化技术的最新成果而开发出的电子CAD通用软件包，鲤鱼它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，鲤鱼自动完成逻辑编译、PORK化简、PORK分割、PORK综合、PORK优化、PORK布局布线及仿真，鲤鱼直至完成对于特定目标芯片的适配编译、PORK逻辑映射和编程下载等工作5。草鱼目前EDA主要辅助进2行三个方面的设计工作PORKIC设计、PORK电子电路设计和PCB设计。草鱼没有EDA技术的支持，鲤鱼想要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的；PORK反过来，鲤鱼生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求6。草鱼草鱼14硬件描述语言VHDL草鱼141草鱼VHDL的简介草鱼VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。草鱼它在80年代的后期出现。草鱼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草鱼。草鱼但是，鲤鱼由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，鲤鱼于是他在1987年成为A草鱼I/IEEE的标准（IEEE草鱼STD草鱼10761987）。草鱼1993年更进一步修订，鲤鱼变得更加完备，鲤鱼成为A草鱼I/IEEE的A草鱼I/IEEE草鱼STD草鱼10761993标准。草鱼目前，鲤鱼大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。草鱼自IEEE公布了VHDL的标准版本，鲤鱼IEEE1076（简称87版之后，鲤鱼各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，鲤鱼或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。草鱼此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，鲤鱼并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。草鱼1993年，鲤鱼IEEE对VHDL进行了修订，鲤鱼从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，鲤鱼公布了新版本的VHDL，鲤鱼即IEEE标准的10761993版本，鲤鱼（简称93版）。草鱼现在，鲤鱼VHDL和VERILOG作为IEEE的工业标准硬件描述语言，鲤鱼又得到众多EDA公司的支持，鲤鱼在电子工程领域，鲤鱼已成为事实上的通用硬件描述语言。草鱼有专家认为，鲤鱼在新的世纪中，鲤鱼VHDL于VERILOG语言将承担起大部分的数字系统设计任务。草鱼草鱼142草鱼VHDL语言的特点草鱼VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，鲤鱼关于用VHDL和原理图输入进行CPLD/FPGA设计的粗略比较PORK在设计中，鲤鱼如果采用原理图输入的设计方式是比较直观的。草鱼你要设计的是什么，鲤鱼你就直接从库中调出来用就行了。草鱼这样比较符合人们的习惯。草鱼在对一个设计实体定义了外部界面后，鲤鱼一旦其内部开发完成后，鲤鱼其他的设计就可以直接调用这个实体。草鱼这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。草鱼应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的4。草鱼草鱼1草鱼与其他的硬件描述语言相比，鲤鱼VHDL具有更强的行为描述能力，鲤鱼从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。草鱼强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，鲤鱼从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。草鱼草鱼2草鱼VHDL丰富的仿真语句和库函数，鲤鱼使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系3统的功能可行性，鲤鱼随时可对设计进行仿真模拟。草鱼草鱼3草鱼VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。草鱼符合市场需求的大规模系统高效，鲤鱼高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。草鱼草鱼4草鱼对于用VHDL完成的一个确定的设计，鲤鱼可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，鲤鱼并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。草鱼草鱼5草鱼VHDL对设计的描述具有相对独立性，鲤鱼设计者可以不懂硬件的结构，鲤鱼也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，鲤鱼而进行独立的设计。草鱼草鱼143草鱼草鱼VHDL的设计流程草鱼它主要包括以下几个步骤PORK草鱼1草鱼文本编辑PORK草鱼用任何文本编辑器都可以进行，鲤鱼也可以用专用的HDL编辑环境。草鱼通常VHDL文件保存为VHD文件，鲤鱼VERILOG文件保存为V文件草鱼2草鱼功能仿真PORK草鱼将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，鲤鱼检查逻辑功能是否正确（也叫前仿真，鲤鱼对简单的设计可以跳过这一步，鲤鱼只在布线完成以后，鲤鱼进行时序仿真）草鱼3草鱼逻辑综合PORK草鱼将源文件调入逻辑综合软件进行综合，鲤鱼即把语言综合成最简的布尔表达式。草鱼逻辑综合软件会生成EDF或EDIF草鱼的EDA工业标准文件。草鱼草鱼4草鱼布局布线PORK草鱼将EDF文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，鲤鱼即把设计好的逻辑安放PLD/FPGA内。草鱼草鱼5草鱼时序仿真PORK草鱼需要利用在布局布线中获得的精确参数，鲤鱼用仿真软件验证电路的时序。草鱼（也叫后仿真）草鱼通常以上过程可以都在PLD/FPGA厂家提供的开发工具。草鱼草鱼6草鱼器件编程草鱼2系统的设计流程草鱼21草鱼设计规划草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼本系统设计采用自顶向下的设计方案，鲤鱼系统的整体组装设计原理图如图1所示，鲤鱼它主要由控制模块、PORK时基分频模块，鲤鱼计时模块和显示模块四部分组成。草鱼各模块分别4完成计时过程的控制功能、PORK计时功能与显示功能。草鱼草鱼草鱼图1草鱼系统组成图草鱼草鱼图草鱼2草鱼草鱼系统设计框图草鱼如图2所示，鲤鱼计时控制器的作用是控制计时。草鱼计时控制器的输入信号是启动，鲤鱼暂停和清零。草鱼为符合惯例，鲤鱼将启动和暂停功能设置在同一个按键上，鲤鱼按一次是启动，鲤鱼按第二次是暂停，鲤鱼按第三次是继续。草鱼所以计时控制器共有2个开关输入信号，鲤鱼即启动/暂停和清零信号。草鱼草鱼计时电路的输入信号为4O96HZ时钟、PORK计数允许，鲤鱼保持和清零信号，鲤鱼输出为IOMS、PORK10OMS、PORKS和MIN的计时数据。草鱼草鱼时基分频器是一个41分频器，鲤鱼产生10MS周期的脉冲用于计时电路时钟信号。草鱼草鱼显示电路为动态扫描电路。草鱼用以显示十分位、PORKMIN、PORK10S、PORKS、PORKLOOMS和1OMS信号。草鱼草鱼22草鱼系统的原理图及各模块的程序草鱼草鱼图3草鱼系统的整体组装设计原理图草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼设计由控制模块、PORK时基分频模块，鲤鱼计时模块和显示模块四部分组成。草鱼各模块实现秒表不同的功能7草鱼。草鱼图3就是整个系统原理图。草鱼草鱼221控制模块草鱼计时模块的作用是针对计时过程进行控制。草鱼计时控制模块可用俩个按钮来完成秒表的启动、PORK停止和复位。草鱼部分源程序如下PORK草鱼LIBRARY草鱼IEEEPORK草鱼USE草鱼IEEESTD_LOGIC_1164ALLPORK草鱼USE草鱼IEEESTD_LOGIC_UNSIGNEDALLPORK草鱼ENTITY草鱼CONTROL草鱼IS草鱼PORT草鱼草鱼CLK草鱼,草鱼START草鱼IN草鱼STD_LOGICPORK草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼STARTSTOP,CLKS草鱼OUT草鱼草鱼STD_LOGICPORK草鱼END草鱼CONTROLPORK草鱼ARCHITECTURE草鱼AA草鱼OF草鱼CONTROL草鱼IS草鱼5SIGNAL草鱼SSTART,ASSTART草鱼STD_LOGICPORK草鱼SIGNAL草鱼COUNT草鱼草鱼STD_LOGIC_VECTOR3草鱼DOWNTO草鱼0PORK草鱼声明结构体所用的内部信号及数据类型草鱼BEGIN草鱼CLK_LABEL草鱼PROCESS草鱼CLK进程（敏感表）草鱼BEGIN草鱼IF草鱼CLKEVENT草鱼AND草鱼CLK1草鱼THEN表示时钟的上升沿草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼IF草鱼COUNT“1001“草鱼THEN草鱼COUNTQSLQSLQSLQSLQSLQSLQSLQSLQSLQSLNULLPORK草鱼END草鱼CASEPORK草鱼CASE草鱼SEC草鱼IS草鱼19WHEN草鱼0|1|2|3|4|5|6|7|8|9QSHQSHQSHQSHQSHQSHQSHQSHQSHQSHNULLPORK草鱼END草鱼CASEPORK草鱼END草鱼PROCESS草鱼P7PORK草鱼P8PROCESSMIN草鱼BEGIN草鱼CASE草鱼MIN草鱼IS草鱼WHEN草鱼0|10|20|30|40|50QMLQMLQMLQMLQMLQMLQMLQMLQMLQMLNULLPORK草鱼END草鱼CASEPORK草鱼CASE草鱼