ch09 VHDL数字设计与优化

FPGA设计与VHDL实现VHDL数字设计与优化第九章英特尔FPGA中国创新中心系列丛书普通高等教育”十三五”规划教材01流水线设计流水线设计流水线设计是提高所设计系统运行速度的种有效的方法。为了保障数据的快速传输，必须使系统运行在尽可能高的频率上。但如果某些复杂逻辑功能的完成需要较大的延时，就会使系统难以运行在高的频率上。在这种情况下，可使用流水线技术，即在大延时的逻辑功能块中插入触发器，使复杂的逻辑操作分步完成，减小每个部分的延时，从而使系统的运行频率得以提高。流水线设计的代价是增加了寄存器逻辑，即增加了芯片资源的耗用。02资源共享资源共享减少系统所耗用的器件资源也是我们进行电路设计时所追求的目标，在这方面，资源共享是一个较好的方法，尤其是将些耗用资源较多的模块进行共享，能有效降低整个系统耗用的资源。资源共享的具体效果跟所用的综合器的性能有关，有的综合器并不能有效地实现资源共享，因此多数时候，需要设计者在编写程序时，有意识地进行人工处理。资源共享节省资源的设计中应注意以下几点：尽量共享复杂的运算逻辑单元。用加括号等方式控制综合的结果，实现资源的共享，重用已计算过的结果。模块数据宽度应尽昼小，以能满足设计要求为准。034X4矩阵键盘4X4矩阵键盘矩阵键盘又称为行列式键盘，它是由4条行线、4条列线组成的键盘。4X4矩阵键盘4X4矩阵键盘4X4矩阵键盘4X4矩阵键盘4X4矩阵键盘4X4矩阵键盘04字符液晶字符液晶常用的字符液晶的是LCD1602,它可以显示}6x2个5x7大小的点阵字符，模块的字符存储器(CharacterGeneratorROM,CGROM)中固化了192个常用字符的字模。1.字符液晶LCD1602及端口市面上的LCD1602基本上是兼容的，区别只是带不带背光，其驱动芯片都是HD44780及其兼容芯片。LCD1602的接口基本一致，为16引脚的单排插针外接端口。字符液晶LCD1602控制线主要分4类。1.RS:数据／指令选择端，当RS=O,写指令；当RS=l,写数据。2.RW:读／写选择端，当RW=O,写指令／数据；当RW=l,读状态／数据。3.EN:使能端，下降沿使指令／数据生效。4.DB[O]~DB[7]:8位双向数据线。字符液晶2.LCD1602的数据读写时序其读／写操作时序由使能信号EN完成；对读／写操作的识别是判断RW信号上的电平状态，当RW为0时向显示数据存储器写数据，数据在使能信号EN的上升沿被写入，当RW为1时将液晶模块的数据读入；3.LCD1602的指令集LCD1602的读／写操作、屏幕和光标的设置都是通过指令来实现的，共支持11条控制指令，这些指令可查阅相关资料，需要注意的是，液晶模块属于慢显示设备，因此，在执行每条指令之前，一定要确认模块的忙标志为低电平（表示不忙），否则此指令失效。字符液晶4.LCD1602的字符集LCD1602模块内部的字符发生存储器(CGROM)中固化了192个常用字符的字模，其中常用的128个阿拉伯数字、大小写英文字母和常用符号等。5.LCD1602的初始化LCD1602开始显示前需要进行必要的初始化设置，包括设置显示模式、显示地址等。05汉字图形点阵液晶汉字图形点阵液晶图形点阵液晶显示模块广泛应用于智能仪器仪表、工业控制、通信和家用电器中。本节用FPGA控制LCD12864B汉字图形点阵液晶实现字符和图形的显示。1.LCD12864B的外部引脚特性LCD12864B是一种内部含有国标级、二级简体中文字库的点阵型图形液晶显示模块，内置了8192个中文汉字(16x16点阵）和128个ASCII字符集(8xl6点阵），它在字符显示模式下可以显示8x4个16xl6点阵的汉字，或16X4个16X8点阵的英文(ASCII)字符，它也可以在图形模式下显示分辨率为128x64的二值化图形。汉字图形点阵液晶2.LCD12864B的数据读写时序如果LCD12864B液晶模块工作在8位并行数据传瑜模式(PSB=l、RST=l)下，其数据读写时序与上节中的LCD1602B数据读写时序完全一致。LCD模块的读／写操作时序由使能信号E完成；对读／写操作的识别是判断RfW信号上的电平状态，当RfW为0时向显示数据存储器写数据，数据在使能信号E的上升沿被写入，当RfW为1时将液晶模块的数据读入；RS信号用于识别数据总线DBO~DB7上的数据是指令代码还是显示数据。汉字图形点阵液晶3.LCD12864B的指令集LCD12864B液晶模块有自己的套用户指令集，用户通过这些指令来初始化液晶模块并选择显示模式。LCD模块的图形显示模式需要用到扩展指令集，并且需要分成上下两个半屏设置起始地址，上半屏垂直坐标为Y:8'h80~9'h9F02行），水平坐标为X:8'h80;下半屏垂直坐标和上半屏相同，而水平坐标为X:8'h88。汉字图形点阵液晶4.用VHDL驱动LCD12864B实现汉字和字符的显示用VHDL编写LCD12864B驱动程序，实现汉字和字符的显示。06VGA显示器VGA显示器VGA显示原理与时序1.VGA显示的原理与模式VGA(VideoGraphicsArray)是IBM在1987年推出的一种视频传输标准，并迅速在彩色显示领域得到广泛应用，后来其他厂商在VGA基础上加以扩充使其支持更高分辨率，这些扩充的模式称为SuperVGA,简称SVGA。VGA显示器2.D-SUB接口主机（如计算机）与显示设备间通过VGA接口（也称D-SUB接口）连接，主机的显示信息，通过显卡中的数字／模拟转换器转变为R、G、B三基色信号和行、场同步信号并通过VGA接口传输到显示设备中。3.C4_MB开发板的FPGA与VGA接口电路C4_MB上的VGA接口通过18位信号线与FPGA连接。VGA显示器4.VGA显示的时序CRT(CathodeRayTube)显示器的原理是采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在CRT显示器上从左到右、从上到下做有规律的移动，其水平移动受水平同步信号HSYNC控制，垂直移动受垂直同步信号VSYNC控制。扫描方式多采用逐行扫描。VGA显示器VGA彩条信号发生器1.VGA彩条信号发生器顶层设计三基色信号R、G、B只用1bit表示可显示8种颜色。2.用IP核aitpll产生25.2MHz时钟信号3.引脚约束与编程下载VGA显示器VGA图像显示与控制如果VGA显示真彩色BMP图像，则需要R、G、B信号各8位（即24位）表示一个像素值，多数情况下采用32位表示一个像素值，为了节省存储空间，可采用高彩图像，即每个像素值由16位表示，R、G、B信号分别使用5位、6位、5位，比真彩色图像数据量减少一半，同时又能满足显示效果。VGA显示器1.VGA图像数据的获取2.VGA图像显示顶层源程序3.ROM模块的定制4.引脚锁定与下载07音乐演奏电路音乐演奏电路音乐演奏实现的方法1.音调的控制频率决定了音调高低。所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频而得到的。由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。音乐演奏电路2.音长的控制音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。本例演奏的梁祝片段，最短的音符为四分音符，如果将全音符的持续时间设为1S,则只需要再提供一个4Hz的时钟频率即可