华中师范大学电科实验：VHDL实现16x16点阵控制

资源摘要信息:"VHDL实验二十：16*16点阵显示实验" 一、实验背景与目标 本次实验的目标是通过硬件描述语言VHDL（VHSIC Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）编程，实现对一个16*16点阵显示屏的控制。实验设计适合华中师范大学电气与电子工程学院的相关专业学生，特别是电科专业同学使用。 二、实验要求 在实验过程中，学生需要编写VHDL代码，通过FPGA（现场可编程门阵列）或其他可编程逻辑设备，实现对16*16点阵显示屏的显示控制。这意味着实验不仅涉及到VHDL编程技术，还包括对FPGA开发流程的理解，以及对相关硬件的控制和接口技术的掌握。 三、VHDL编程知识 1. VHDL基础：VHDL是一种用于描述电子系统硬件功能的语言，广泛应用于FPGA和ASIC设计中。它是IEEE Standard 1076语言的缩写，可以用于模拟、时序分析、测试、合成等设计流程中。VHDL包括结构化设计（结构体）、行为设计（行为体）、组件描述和数据流设计等编程风格。 2. 设计实体和结构：在VHDL中，设计实体（entity）是接口的定义，表示一个模块的外部可见接口，包括输入、输出端口等。结构体（architecture）是对实体内部功能的实现，描述实体如何通过其组件和信号进行工作。 3. 信号与进程：信号是VHDL中用于存储数据的实体，可以在不同的行为体或结构体之间进行通信。进程（process）是VHDL中的一段代码，可以包含顺序语句，负责描述算法的执行流程。 4. 并行与顺序执行：VHDL允许设计者用并行的方式来描述硬件电路，而进程则提供了顺序执行的机制，这使得VHDL既能够描述电路硬件的结构，也能够描述其时序行为。 5. 行为描述与结构描述：行为描述关注于系统的功能和时序，结构描述则关注于硬件的物理结构和连接。在实际设计中，这两种描述方式往往相互结合，互为补充。 四、FPGA与点阵显示技术 1. FPGA简介：FPGA是一种可以通过编程进行配置的半导体设备，它包含了可编程逻辑单元、输入/输出单元和可编程互连。由于其高度的可编程性和并行处理能力，FPGA被广泛用于设计数字电路。 2. 点阵显示原理：点阵显示是一种基于像素点阵排列的显示技术，每个像素点都可通过编程独立控制其亮灭状态，从而在显示区域内形成文字、图像等信息。16*16点阵指的是由16行16列共计256个像素点组成的显示矩阵。 3. 控制点阵显示：控制16*16点阵显示屏通常需要处理行列信号的解码，通过行列扫描的方式逐行或逐列点亮对应的LED灯，从而显示所需的文字或图案。在VHDL编程中，这通常涉及到生成时序控制信号和数据驱动逻辑。 五、实验文件解析 实验所涉及的文件列表包含以下关键文件： - shiyanershi.mif.bak：备份的内存初始化文件（Memory Initialization File），用于存储点阵显示屏的显示数据。 - shiyanershi.vhd.bak：备份的VHDL源文件，其中包含实验设计的主体代码。 - aaa.bsf：可能是一个包含FPGA绑定信息的文件。 - aaa.cmp：可能是一个包含设计编译信息的文件。 - aaa.inc：可能是一个包含项目内包含的头文件或配置文件。 - shiyanershi.mif：内存初始化文件，用于指定点阵显示屏的数据存储。 - aaa.qip：Quartus II项目引脚文件，用于指定FPGA的引脚分配。 - shiyanershi.qpf：Quartus II项目文件，包含了项目的完整配置信息。 - shiyanershi.qsf：Quartus II项目设置文件，包含了与项目相关的各种设置。 - shiyanershi.qws：Quartus II工作区设置文件，包含了工作区的配置信息。 六、实验步骤与技巧 1. 理解点阵显示原理，并设计VHDL代码实现显示控制逻辑。 2. 创建一个新的VHDL项目，并将点阵显示的相关文件导入。 3. 配置FPGA项目，包括引脚分配、时钟设置和必要的编译参数。 4. 使用Quartus II或类似的EDA工具进行编译、仿真和验证。 5. 下载程序到FPGA，并进行实际硬件测试。 七、总结 通过本实验，学生将加深对VHDL编程语言的理解，并掌握如何利用VHDL与FPGA技术实现具体的硬件控制任务。实验的结果是能够控制16*16点阵显示屏显示预定的文字或图案，这不仅有助于学生验证其设计逻辑的正确性，也有利于培养解决复杂硬件设计问题的能力。