BCD-七段译码器设计(共19页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。 现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐 也越来越快，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化 技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计,电子 电路设计以及PCB设计。没有EDA技术的支持，想

2、要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。此设计是设计一个BCD-七段译码器，通过4个输入7个输出来显示09这10个数字。应用MAX+PLUSII软件，应用VHDL语言编程，实现上述功能。关键字：EDA技术，电子设计自动化， MAX+PLUSII， VHDL语言AbstractThe human society entered to the highly developed informationization society, information societys development cannot leave th

3、e electronic products the progress. The modern electronic products while the performance enhances which, the order of complexity increases, the price has actually assumed the declining trend, moreover the product renewals step is also getting quicker and quicker, realizes this kind of progressive pr

4、imary cause is the manufacturing technology and the electron design technique development. The former take the tiny process technology as representative, at present progressed to the deep submicron stage, may integrate the many transistors on several square centimeters chips; The latters core is EDA

5、 the technology. EDA is refers to take the computer as the working platform, fused the electronic CAD general software package which using the electronic technology, the computer technology, the intellectualized technology newest achievement develops, mainly can assist carries on three aspects the p

6、roject works: IC design, electronic circuit design as well as PCB design. Does not have the EDA technology support, the wish to complete the above ultra large scale integrated circuits design manufacture is cannot imagine, in turn, the manufacturing technology will progress unceasingly will certainl

7、y to set the new request to the EDA technology. This design is designs BCD- the decoder, inputs 7 through 4 to lose demonstrates 09 these 10 digit. Using the MAX+PLUSII software, applies the VHDL language programming, realizes the above function. key words: EDA technology，Electronic design automatio

8、n, MAX+PLUSII, VHDL language目 录专心-专注-专业引 言20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA是电子设计自动化（Electroni

9、c Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度。第1章 可编程逻辑器件和DEA设计技术1.1 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 英文全称为：programmab

10、le logic device 即 PLD。 PLD是做为一种通用集成电路产生的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。PLD与一般数字芯片不同的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样，都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。1.2 EDA设计技术

11、EDA（Electronic Design Automation）即电子设计自动化，它的定义是指利用计算机来完成电子系统的设计。EDA技术就是以计算机硬件和系统软件为操作平台，借鉴前人的电路和系统、数据库管理、图形学、图论和拓扑逻辑、编译原理、计算数学、人工智能和微电子学集成电路设计等领域中的最新科技成果而研制开发的商品化DEA通用支撑软件和应用软件包，目的是帮助设计人员在计算机上完成数字系统的逻辑综合、布局布线、设计仿真和印制电路板设计等工作。1.2.1 EDA设计技术的发展史回顾近30年电子设计技术的发展历程，可将EDA技术分为三个阶段。七十年代为CAD阶段，这一阶段人们开始用计算机辅助进

12、行IC版图编辑和PCB布局布 线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设 计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助 工程的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分 析。九十年代为ESDA阶段。尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的 设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千 差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们

13、开始 追求贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA即电子系统设计自动化。1.2.2 EDA设计技术的基本特征 ESDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成 电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法，具体流程还将在4.2节中做深入介绍。下面介绍与ESDA基本特征有关的几个概念。1.2.3 EDA设计技术的基本方法 EDA技术的每一次进步,都引起了设计层次上的一个飞跃。

14、 - 物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师并没有太大的 意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。(1). 电路级设计 -电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适 元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。(2). 系统级设计 - 进入90年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个明显的特点：一是产品的复杂程 度加深，二是产品的上市时限紧迫。(3). 高层次设计步骤如下： 第一步：按照自顶向下的设计方法进行系统划分。第二步：输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入 方式（框图，状态图等），

15、这种输入方式具有直观、容易理解的优点。第三步： 将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件,这是将高层次 描述转化为硬件电路的关键步骤。第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底 层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包 括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。 根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延 特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实

16、际性能。第六步： 将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。 如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。 第二章 VHDL设计方法2.1 VHDL概述 VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与

17、句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。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。2.2 VHDL程序的结构 一般来说，一个完整的VHDL程序包括5个部分，分别是库、程序包、实体、结构体和配置，它们之间的结构关系如图2-1所示。 图2-1 VHDL程序的结构组成2.3 VHDL的特点 VHDL 语言能够成

18、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

19、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

20、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

21、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。2.4 VHDL程序的元素VHDL程序中经常使用常量、信号和变量，它们都是用来保持一个数据的客体单元，一般称作数据对象。每一个数据对象都有一个类型用来确定对象所保持的那一类数据。VHDL是一种非常严格的类型化语言，规定每个对象和表达式都要有唯一的确定类型。VHDL和其他高级

22、语言一样，具有多种丰富的数据类型，同时设计人员还可以自己定义数据类型，从而给设计带来了很大的方便和自由。另外，VHDL中具有丰富的运算操作符，它们给设计的具体描述带来了极大的灵活性。2.5 VHDL程序的描述语句 VHDL中的描述语句按照执行顺序的不同，可以分为两种：并行描述语句和顺序描述语句。其中，并行描述语句是指语句的执行顺序与书写顺序无关，所有语句是并行执行的；顺序描述语句是指语句的顺序是按照语句的书写顺序依次执行的。通常，并行描述语句用于表示算法模块间的连接关系，而顺序描述语句则用于实现模块的算法部分。 第3章 BCD-七段译码器3.1 MAX+PLUSII软件介绍Max+plus是A

23、ltera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。Max+plus界面友好，使用便捷，被誉为业界最易用易学的EDA软件。在Max+plus上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。3.2 BCD-七段译码器的功能分析与模块划分LED数码管显示电路是工程项目中使用较广的一种输出显示器件。常见的数码管有共阴和共阳2种。共阴数码管是将8个发光二极管的阴极连接在一起为公共端，而共阳数码管是将8个发光二极管的阳极连接在一起作为公共端。公共端常

24、被称作位码，而将其他的8位称做段码，这8位分别是a，b, c, d, e, f, g及h，它们对应数码管的七个段位和一个小数点儿。a，b, c, d, e, f及g这七段是用控制字符型显示的，因此，常常也将LED数码管称为7段数码管。3.2.1 BCD-七段译码器的逻辑功能表 BCD-七段译码器的逻辑功能表如表3.1。输入输出代表数字A3A2A1A0Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q000000111111000010000110100101011011200111001111301001100110401011101101501101111101601110000111710001111111810

25、0111011119 表3.1 BCD-七段译码器的逻辑功能表引脚分配见表3.2.A3A2A1A0ENQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q64脚5脚6脚8脚40脚46脚48脚49脚50脚51脚52脚54脚 表3.2 BCD-七段译码器的引脚分配3.2.2 BCD-七段译器器的VHDL语言 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DECORD7 IS PORT( A: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); EN: OUT STD_LOGIC); END DECORD7; ARCHITECTURE BEHAVE OF DECORD7 IS BEGIN PROCESS(A) BEGIN CASE A(3 DOWNTO 0) IS WHEN0000=QQQQQQQQQQQ=; END CASE;END PROCESS; ENQQQQQQQQQQQ=; END CASE;END PROCESS; EN=0;END BEHAVE; 附录A1.2顶层电路图： 实物演示图：