基于VHDL语言的抢答器

1、VHDL抢答器的设计设计要求：1.抢答器同时供N名选手，(此处假设4个)分别用4个按钮S0 S3表示。2.设置一个系统“开始复位”开关S，该开关由主持人控制（当主持人按下该开关后以前的状态复位并且开始计时抢答）。3抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间（0-99S）。当主持人启动“开始复位”键后，定时器进行减计时。5. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。一、

2、概述 抢答器的逻辑结构主要由抢答鉴别lock模块、定时模块、译码模块和报警器模块组成。在整个抢答器中最关键的是如何实现抢答封锁，在控制键按下的同时计数器倒计时显示有效剩余时间。除此之外，整个抢答器还需有一个“复位开始”信号，以便抢答器能实现清零和开始。抢答器共有3个输出显示，选手代号、计数器的个位和十位，他们输出全都为BCD码输出，这样便于和显示译码器连接。当主持人按下控制键、选手按下抢答键蜂鸣器短暂响起。方案设计与论证嘿嘿！将该任务分成N个模块进行设计，分别为：抢答器鉴别模块、抢答器计时模块、译码模块、报警模块，最后是综合。1. 抢答器鉴别模块：在这个模块中主要实现抢答过程中的抢答功能，并且

3、能实现当有一路抢答按键按下时，该路抢答信号将其余个绿抢答封锁的功能。在这个模块输入端有WARN输入(以时间控制系统的WARN输出信号为信号源)、一个和“时间控制系统”公用的CLEAR端、4人抢答输入信号端S0,S1,S2,S3和有一个时钟信号端CLK，这个时钟信号是个高频信号，用以扫描S0，S1，S2，S3是否有信号输入。输出端有对应于S0，S1，S2，S3编号的4个指示灯LED 和4线2进制输出端STATES（用于锁存当前的状态），还有一个STOP 端用于指示S0,S1,S2,S3按钮状态（控制计时器停止）。在此模块中高频时钟信号一直作用，此时，若主持人按下CLEAR即为开始抢答信号，所有输

4、出端都自动清零。在有效时间范围（N秒）内只要有人抢答，STOP就有高电平输出至“时间控制系统”的STOP端以控制倒计时的停止，并且对应的LCD指示灯点亮，STATES锁存输出到译码显示模块，用以显示优先抢答人的组号，并锁定输入端S以阻止系统响应其他抢答者的信号。当有效时间到了之后还没有人抢答，则记时模块发出报警信号，同时反馈回来给抢答鉴别模块，禁止选手在抢答。2.译码模块：将抢答过程中锁存的BCD码转换成7段码用于LED的显示。3定时器模块：这个模块的输入端有时钟信号CLK1、系统复位信号CLEAR和一个STOP输入信号；输出端有秒时间状态显示信号高位HIGH和低位LOW，无人抢答时计时中止警

5、报信号WARN。这个模块中主要实现抢答过程中的计时功能，在抢答开始后进行N秒的倒计时，并且在N秒倒计时后无人抢答的情况下显示超时并输出信号至WARN报警，或者只要N秒内有人抢答，由抢答鉴别模块输出的STOP信号控制停止计时，并显示优先抢答者的抢答时刻，输出一个信号经WARN传至“抢答鉴别系统”，锁存不再让选手抢答。4报警模块：在这个模块中主要实现抢答过程中的报警功能，当主持人按下控制键，有限时间内（N秒内）有人抢答或是倒计时到了之后蜂鸣器开始报警，输出SOUND有效电平为高.5.在这个模块中是对前4个模块的综合。三单元电路软件设计及仿真1.抢答器鉴别模块VHDL程序及模块：在这个模块中主要实现

6、抢答过程中的抢答功能，并且能实现当有一路抢答按键按下时，该路抢答信号将其余个绿抢答封锁的功能。在这个模块输入端有WARN输入(以时间控制系统的WARN输出信号为信号源)、一个和“时间控制系统”公用的CLEAR端、4人抢答输入信号端S0,S1,S2,S3和有一个时钟信号端CLK，这个时钟信号是个高频信号，用以扫描S0，S1，S2，S3是否有信号输入。输出端有对应于S0，S1，S2，S3编号的4个指示灯LED 和4线2进制输出端STATES （用于锁存当前的状态），还有一个STOP 端用于指示S0,S1,S2,S3按钮状态（控制计时器停止）。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LO

7、GIC_1164.ALL;ENTITY LOCK IS PORT( CLK,CLEAR:IN STD_LOGIC; WARN:IN STD_LOGIC; S0,S1,S2,S3:IN STD_LOGIC; STATES:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); STOP:OUT STD_LOGIC; LED:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END LOCK;ARCHITECTURE ONE OF LOCK ISSIGNAL G:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLEAR,CLK,S

8、0,S1,S2,S3) BEGIN IF CLEAR=1 THEN G=0000;LED=0000;STOP=0; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF WARN=0 THEN IF( S3=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(1)=1 OR G(2)=1) THEN G(3)=1;LED(3)=1; ELSIF( S2=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(1)=1 OR G(3)=1) THEN G(2)=1;LED(2)=1; ELSIF( S1=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(2)=1 OR G(3)=1) THEN G(1)=1;

9、LED(2)=1; ELSIF( S0=1)AND NOT(G(1)=1 OR G(2)=1 OR G(3)=1) THEN G(0)=1;LED(3)=1; END IF; STOPSTATESSTATESSTATESSTATESSTATESQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUT=0000000; END CASE; END PROCESS;END ARCHITECTURE TWO;3.定时模块VHDL程序及模块：这个模块的输入端有时钟信号CLK、系统复位信号CLEAR和一个STOP输入信号；输出端有秒时间状态显示信号高位HIGH和低位LOW

10、，无人抢答时计时中止警报信号WARN。这个模块中主要实现抢答过程中的计时功能，在抢答开始后进行N秒的倒计时，并且在N秒倒计时后无人抢答的情况下显示超时并输出信号至WARN报警，或者只要N秒内有人抢答，由抢答鉴别模块输出的STOP信号控制停止计时，并显示优先抢答者的抢答时刻，输出一个信号经WARN传至“抢答鉴别系统”，锁存不再让选手抢答。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNT IS PORT(CLK,CLEAR,STOP:IN STD_LOGIC; WARN:OUT

11、 STD_LOGIC; HIGH,LOW:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END COUNT;ARCHITECTURE THREE OF COUNT ISSIGNAL HS:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL LS:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) BEGIN IF CLEAR=1 THEN HS=1001;LS=1001;WARN=0; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN LS=LS-1; IF LS=0000 THEN LS=1001;H

12、S=HS-1; IF HS=0000 AND LS=0000 THEN WARN=1;HS=0000;LS=0000; IF STOP=1 THEN HS=HS; LS=LS; WARN=1; END IF; END IF; END IF; END IF; HIGH=HS;LOW=LS;END PROCESS;END ARCHITECTURE THREE; 4报警模块VHDL：在这个模块中主要实现抢答过程中的报警功能，当主持人按下控制键，有限时间内（N秒内）有人抢答或是倒计时到了之后蜂鸣器开始报警，输出SOUND有效电平为高.LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_11

13、64.ALL;ENTITY ALARM IS PORT(CLEAR,WARN:IN STD_LOGIC; SOUND:OUT STD_LOGIC);END ;ARCHITECTURE FOUR OF ALARM ISBEGIN PROCESS(WARN,CLEAR) BEGIN IF CLEAR=1 THEN SOUND=0; ELSIF WARN=1 THEN SOUND=1; ELSE SOUND=0; END IF;END PROCESS;END ;设计电路的仿真波形图1抢答鉴别模块仿真图：2译码模块仿真图：3记时模块仿真图：部分仿真图（1）：部分仿真图（2）：4报警模块仿真图：五主电路

14、连线图：主电路仿真图：六、心得与体会经过三个星期的EDA课程设计，通过不懈努力，成功地设计出了数字式四路竞赛抢答器。回首这几周，虽然因为初次涉及EDA技术及MAX_PLUS软件，对相关知识知之甚少，我们也遇到了很多困难，但是我们在这次实习的过程中都受益匪浅，收获颇丰，甚为欣慰。 在这次课程设计的前期，我们先系统地学习了EDA概论，VHDL描述语言和设计应用方面的基础知识，使得能够较熟练地使用MAX_PLUS软件进行设计开发，用原理图输入及VHDL语言等设计输入并编译仿真，同时我们对以往学过的理论知识有了更加透彻的理解。我们的课题为数字式四路竞赛抢答器，根据电路的特点，我们采用层次化结构化设计，

15、将此项设计任务分成若干模块，规定每一模块的功能和各模块之间的接口，然后再将各模块合起来调试。在设计的过程中，遇到问题我们先独立思考，查找资料。到自己不能解决的时候就和其他组研究讨论，向指导老师请教。这样既提高了我们独立发现问题、分析问题、解决问题的能力，又很好地培养了交流合作的精神。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。本实验通过EDA软件muxlus2的实现，让我对VHDL语言有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，

16、对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。通过这次设计，进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的高兴。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总的来说，这次设计的抢答器还是比较成功的，在设

17、计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于迎刃而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。经历数日的课设眼看尘埃落定，感觉忍不住要长出一口气。结果怎样已然不再重要，在这几日里，我们经历了阶段性成功的狂喜、测试失败后的绝望、陷入困境时的不知所措，重新投入的振作。这已经就足够了！嘿嘿！八、参考文献1 、李国洪，沈明山：可编程逻辑器件EDA技术与实践，机械工业出版社2、江国强：EDA技术习题与实验，电子工业出版社 3、曹昕燕，周风臣，聂春燕

18、：EDA技术试验与课程设计，清华大学出版社4、黄仁欣：EDA技术实用教程，清华大学出版社附录资料：不需要的可以自行删除SHA算法的实现C语言程序：#include #include /定义vector数组 #include /记录消息using namespace std; const int NUM = 8; /一个字由32比特(或者8个16进制数)const int BIT = 512; /消息认证码要以512比特一组 /字常量 string H0 = 67452301; string H1 = EFCDAB89; string H2 = 98BADCFE; string H3 = 103

19、25476; string H4 = C3D2E1F0; /定义SHA1(安全哈希算法)类 class SHA1 public: /将一个字符串形式的字转化为vector数组 vector hex_into_dec(string word); /将vector转化为string字符串形式 string num_into_message(vector A); /两个字X和Y的逻辑和 vector word_AND(vector A,vector B); /两个字X和Y的逻辑或 vector word_OR(vector A,vector B); /两个字X和Y的逻辑异或 vector word_

20、XOR(vector A,vector B); /两个字X和Y的逻辑补 vector word_COMPLEMENT(vector A); /两个字X和Y的摸232整数加 vector word_ADD(vector A,vector B); /将字X循环左移s个位置 vector ROTL(vector A,int s); /SHA-1的填充方案,我们设定msg由ASCII码组成 vectorvector SHA_1_PAD(string msg); /将SHA-1压成以字为单位 vectorvectorvector compress(vectorvector result); /定义ft函

21、数，每个ft函数都有B,C,D三个字作为输入，并产生一个字作为输出 vector Ft(int t,vector B,vector C,vector D); /定义字常数K vector K(int t); /开始进行SHA-1(安全Hash算法)的加密 vectorvector SHA_1(string msg); ; /将vector转化为string字符串形式 string SHA1:num_into_message(vector A) int i; string msg = ; for(i = 0;i = 0 & Ai = 10 & Ai = 15) msg += A + (Ai -

22、10); return msg; /将一个字符串形式的字转化为vector数组 vector SHA1:hex_into_dec(string word) int i; vector result(NUM,0); for(i = 0;i = 0 & wordi = A & wordi = F) resulti = 10 + wordi - A; return result; /两个字X和Y的逻辑和 vector SHA1:word_AND(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti =

23、Ai & Bi; return result; /两个字X和Y的逻辑或 vector SHA1:word_OR(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = Ai | Bi; return result; /两个字X和Y的逻辑异或 vector SHA1:word_XOR(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = Ai Bi; return result; /两个字X和Y的

24、逻辑补 vector SHA1:word_COMPLEMENT(vector A) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = 15 - Ai; return result; /两个字X和Y的摸232整数加 vector SHA1:word_ADD(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = NUM - 1;i = 0;i-) resulti = Ai + Bi; if(i != 0) int temp = resulti / 16; resulti-1

25、 += temp; resulti %= 16; return result; /将字X循环左移s个位置 vector SHA1:ROTL(vector A,int s) vector result = A; vector temp(NUM,0); int i,j; for(i = 0;i = 0;j-) if(resultj / 8 = 1) tempj = 1; resultj = 1; resultj %= 16; if(j NUM - 1) resultj += tempj + 1; else if(resultj / 8 = 0) tempj = 0; resultj = 1; re

26、sultj %= 16; resultNUM - 1 += temp0; return result; /SHA-1的填充方案,我们设定msg由ASCII码组成 vectorvector SHA1:SHA_1_PAD(string msg) int len = msg.length(); int bit_num = len * 8; int i,j; int num,lest = bit_num % 512; if(lest != 0) /看消息长度是否超过512字节，我们需要将它补成512的倍数 num = bit_num / 512 + 1; else num = bit_num / 51

27、2; /首先我们以8位字节为一组保存到vector里面，512比特为一组，即一组里面有64位元素 vectorvector result; result.resize(num); for(i = 0;i num;i+) resulti.resize(64); for(i = 0;i num;i+) for(j = 0;j 64 & i * 64 + j len;j+) resultij = msgi * 64 + j; /下面开始为未够512比特的消息分组进行补长度操作 if(lest != 0) int x = num - 1,last_len = lest / 8; resultxlast

28、_len = 128; /先补一个1 for(i = last_len + 1;i = 56) resultxj = last_l % 128; last_l /= 128; j-; return result; /将SHA-1压成以字为单位(三维数组有点复杂) vectorvectorvector SHA1:compress(vectorvector result) vectorvector rr; rr.resize(result.size(); int i,j; for(i = 0;i rr.size();i+) rri.resize(128); for(i = 0;i result.s

29、ize();i+) for(j = 0;j resulti.size();j+) rri2 * j = resultij / 16; rri2 * j + 1 = resultij % 16; vectorvectorvector rrr; rrr.resize(result.size(); for(i = 0;i rrr.size();i+) rrri.resize(16); for(i = 0;i rrr.size();i+) for(j = 0;j 16;j+) rrrij.resize(8); for(i = 0;i rr.size();i+) for(j = 0;j rri.size

30、();j+) rrrij / 8j % 8 = rrij; return rrr; /定义ft函数，每个ft函数都有B,C,D三个字作为输入，并产生一个字作为输出 vector SHA1:Ft(int t,vector B,vector C,vector D) vector result; if(t = 0 & t = 19) vector a1 = word_AND(B,C); vector a2 = word_AND(word_COMPLEMENT(B),D); result = word_OR(a1,a2); else if(t = 20 & t = 60 & t = 79) vecto

31、r a1 = word_XOR(B,C); result = word_XOR(a1,D); else if(t = 40 & t = 59) vector a1 = word_AND(B,C); vector a2 = word_AND(B,D); vector a3 = word_AND(C,D); vector a4 = word_OR(a1,a2); result = word_OR(a4,a3); return result; /定义字常数K vector SHA1:K(int t) vector result; if(t = 0 & t = 20 & t = 40 & t = 60

32、 & t = 79) result = hex_into_dec(CA62C1D6); return result; /开始进行SHA-1(安全Hash算法)的加密 vectorvector SHA1:SHA_1(string msg) vector h0 = hex_into_dec(H0); vector h1 = hex_into_dec(H1); vector h2 = hex_into_dec(H2); vector h3 = hex_into_dec(H3); vector h4 = hex_into_dec(H4); vectorvector result1 = SHA_1_PA

33、D(msg); vectorvectorvector result2 = compress(result1); int n = result2.size(); int i,j; for(i = 0;i n;i+) vectorvector W; W.resize(80); for(j = 0;j 16;j+) Wj = result2ij; for(j = 16;j 80;j+) vector a1 = word_XOR(Wj-3,Wj-8); vector a2 = word_XOR(a1,Wj-14); vector a3 = word_XOR(a2,Wj-16); Wj = ROTL(a

34、3,1); /将string转化为vector数组 vector A = hex_into_dec(H0); vector B = hex_into_dec(H1); vector C = hex_into_dec(H2); vector D = hex_into_dec(H3); vector E = hex_into_dec(H4); for(j = 0;j 80;j+) vector a1 = ROTL(A,5); vector a2 = Ft(j,B,C,D); vector a3 = word_ADD(a1,a2); vector a4 = word_ADD(a3,E); vector a5 =