六十进制计数器的设计与仿真报告

1、 可编程器件实验报告六十进制计数器姓 名： 学 号： 班 级： 提交日期： 概要本次实验主要以学习使用MAX+plusII软件，编写六十进制计数器源程序，并对其进行时序仿真，得到仿真波形。目录前言第一章 VHDL语言介绍1.1 VHDL发展史1.2 VHDL的特点第二章 六十进制计数器的设计与仿真2.1 六十进制计数器源程序2.2 运用软件设计过程2.3 时序仿真体会前言本项实验通过六十进制计数器的设计与仿真，学习VHDL语言及VHDL文本输入设计方法，编写六十进制计数器源程序，应用MAX+PlusII软件进VHDL文本输入设计与波形仿真。写出源程序，并写出设计与仿真过程。第一章 VHDL语言介绍1.1 VHDL发展史硬件描述语言(hardware description language,HDL)是电子系统硬件行为描述,结构描述,数据流描述的语言.目前,利用硬件描述语言可以进行数字电子系统的设计.随着研究的深入,利用硬件描述语言进行模拟电子系统设计或混合电子系统设计也正在探索中.国外硬件描述语言种类很多,有的从Pascal发展而来,也有一些从C语言发展而来.有些HDL成为IEEE标准

2、,但大部分是企业标准.VHDL来源于美国军方,其他的硬件描述语言则多来源于民间公司.可谓百家争鸣,百花齐放.这些不同的语言传播到国内,同样也引起了不同的影响.在我国比较有影响的有两种硬件描述语言:VHDL语言和Verilog HDL语言.这两种语言已成为IEEE标准语言.电子设计自动化(electronic design automation,EDA)技术的理论基础,设计工具,设计器件应是这样的关系:设计师用硬件描述语言HDL描绘出硬件的结构或硬件的行为,再用设计工具将这些描述综合映射成与半导体工艺有关的硬件配置文件,半导体器件FPGA则是这些硬件配置文件的载体.当这些FPGA器件加载,配置上不同的文件时,这个器件便具有了相应的功能.在这一系列的设计,综合,仿真,验证,配置的过程中,现代电子设计理论和现代电子设计方法贯穿于其中.以HDL语言表达设计意图,以FPGA作为硬件实现载体,以计算机为设计开发工具,以EDA软件为开发环境的现代电子设计方法日趋成熟.在这里,笔者认为,要振兴我国电子产业,需要各相关专业的人士共同努力.HDL语言的语法语义学研究与半导体工艺相关联的编译映射关系的研究,

3、深亚微米半导体工艺与EDA设计工具的仿真,验证及方法的研究,这需要半导体专家和操作系统专家共同努力,以便能开发出更加先进的EDA工具软件.软件,硬件协同开发缩短了电子设计周期,加速了电子产品更新换代的步伐.毫不夸张地说,EDA工程是电子产业的心脏起搏器,是电子产业飞速发展的原动力.本书从应用的角度向国内广大读者介绍VHDL编程技术,让大家掌握HDL编程,了解FPGA结构,学会使用EDA工具,为集成电路前端设计打下基础.VHDL语言的英文全名是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,即超高速集成电路硬件描述语言.HDL发展的技术源头是:在HDL形成发展之前,已有了许多程序设计语言,如汇编,C,Pascal,Fortran,Prolog等.这些语言运行在不同硬件平台和不同的操作环境中,它们适合于描述过程和算法,不适合作硬件描述.CAD的出现,使人们可以利用计算机进行建筑,服装等行业的辅助设计,电子辅助设计也同步发展起来.在从CAD工具到EDA工具的进化过程中,电子设计工具的人机界面能力越来越高.在利用

4、EDA工具进行电子设计时,逻辑图,分立电子原件作为整个越来越复杂的电子系统的设计已不适应.任何一种EDA工具,都需要一种硬件描述语言来作为EDA工具的工作语言.这些众多的EDA工具软件开发者,各自推出了自己的HDL语言.HDL发展的社会根源是:美国国防部电子系统项目有众多的承包公司,由于各公司技术路线不一致,许多产品不兼容,他们使用各自的设计语言,使得甲公司的设计不能被乙公司重复利用,造成了信息交换困难和维护困难.美国政府为了降低开发费用,避免重复设计,国防部为他们的超高速集成电路提供了一种硬件描述语言,以期望VHDL功能强大,严格,可读性好.政府要求各公司的合同都用它来描述,以避免产生歧义.由政府牵头,VHDL工作小组于1981年6月成立,提出了一个满足电子设计各种要求的能够作为工业标准的HDL.1983年第3季度,由IBM公司,TI公司,Intermetrics公司签约,组成开发小组,工作任务是提出语言版本和开发软件环境.1986年IEEE标准化组织开始工作,讨论VHDL语言标准,历时一年有余,于1987年12月通过标准审查,并宣布实施,即IEEE STD 10761987LRM8

5、7.1993年VHDL重新修订,形成了新的标准,即IEEE STD 10761993LRM93.从此以后,美国国防部实施新的技术标准,要求电子系统开发商的合同文件一律采用VHDL文档.即第一个官方VHDL标准得到推广,实施和普及.1.2 VHDL的特点VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用 , 它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来 ,VHDL 语言主要具有以下优点：(1) VHDL 语言功能强大 , 设计方式多样VHDL 语言具有强大的语言结构, 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时, 它还具有多层次的电路设计描述功能。此外 ,VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现, 这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言设计方法灵活多样 , 既支持自顶向下的设计方式, 也支持自底向上的设计方法; 既支持模块化设计方法, 也支持层次化设计方法。(2) VHDL 语言具有强大的硬件描述能力VHDL 语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路 , 也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为

6、描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL 语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL 语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。(3) VHDL 语言具有很强的移植能力VHDL 语言很强的移植能力主要体现在: 对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述 , 它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。(4) VHDL 语言的设计描述与器件无关采用 VHDL 语言描述硬件电路时, 设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化, 而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后 ,VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。(5) VHDL 语言程序易于共享和复用VHDL 语言采用基于库 ( library) 的设计方法。在设计过程中 , 设计人员可以建立各种可再次利用的模块 , 一

7、个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计 , 而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块, 将这些模块存放在库中 , 就可以在以后的设计中进行复用。由于 VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言 , 因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享, 从而减小硬件电路设计的工作量, 缩短开发周期。第二章 六十进制计数器的设计与仿真2.1 六十进制计数器源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt60 isport(clk,rst,en:in std_logic;cq:out std_logic_vector(7 downto 0);cout:out std_logic);end cnt60;architecture behav of cnt60 isbegin process(clk,rst,en) variable cqi:std_logic_vector(7 downto 0);

8、begin if rst=1 then cqi:=(others=0); elsif clkevent and clk=1 then if en=1 then if cqi0); end if; end if; end if;if cqi=59 then cout=1; else cout=0;end if;cq=cqi;end process;end behav;2.2 运用软件设计过程步骤1：为本项设计建立文件夹首先应该建立好工作库目录，以便设计工程项目的存储。在此设立目录为： E:cnt60file ，作为工作库。以便将设计过程中的相关文件存储在此。步骤2：输入设计项目和存盘打开 MAX+plusII， 选择菜单“File”_“New”，出现如图1所示的对话框，在框中选中“Text Editor file”，按“OK”按钮，即选中了文本编辑方式。在出现的“Untitled Text Editor” 文本编辑窗（图2）中键入VHDL程序（六十进制计数器），输入完毕后，选择菜单“File_Save”，即出现如图2 所示的“Save As”对话框。首先在“Directories”目录框

9、中选择自己已建立好的存放本文件的目录E:cnt60file（用鼠标双击此目录，使其打开），然后在“File Name”框中键入文件名cnt60.vhd，按“OK”按钮，即把输入的文件放在E: cnt60file中了。注意：原理图输入设计方法中，存盘的原理图文件名可以是任意的，但VHDL程序文本存盘的文件名必须与文件的实体名一致，如cnt60.vhd 图1 建立文本编辑器对话框 图2 在文本编辑窗口中输入VHDL文件并存盘步骤3：将设计项目设置成工程文件（PROJECT）需要特别注意的是，在编译/综合cnt60.vhd之前，需要设置此文件为顶层文件（最上层文件），或称工程文件：Project，或者说将此项设计设置成工程。选择菜单“File”_Project_“Set Project to Current File”，当前的设计工程即被指定为cnt60。也可以通过选“File”_“Project”_“Name”，在跳出的“Project Name”窗中指定E:cnt60file下的cnt60.vhd为当前的工程。设定后可以看见MAX+plusII 主窗左上方（图3）的工程项目路径指向为：“e:cnt60filemux21a”。这个路径指向很重要！

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