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基于FPGA的闹钟系统设计
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更新于2023-03-03
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本文就是用VHDL语言来描述一个基于FPGA的数字闹钟系统的设计。该数字闹钟系统具备准确计时,时间校准, 定时闹钟等功能。
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基于 FPGA 的闹钟系统设计
摘 要
电子设计自动化(EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计
的技术,使用 EDA 技术设计的结果既可以用 FPGA / CPLD 来实施验证,
也可以直接做成专用集成电路(ASIC)。EDA 的一个重要特征就是使用硬
件描述语言(HDL)来完成设计文件,在电子设计领域受到广泛的接受。
VHDL 是一种应用广泛的硬件描述语言,可用于多种抽象层次的数字系
统设计。VHDL 语言最大的特点就是易学易用,通过学习和使用,可以在
短时间内掌握该语言。另外该语言的功能强大,可以满足各个层次设计人
员的需要。
本文就是用 VHDL 语言来描述一个基于 FPGA 的数字闹钟系统的设计。该
数字闹钟系统具备准确计时,时间校准, 定时闹钟等功能。本文首先介绍了
EDA 方面的基础知识,然后介绍了数字闹钟系统的设计以及源代码开发过
程。源代码首 先在 Quartus 软件上进行仿真、综合 ,通过后 下载到
GW48 系列开发箱上,在 FPGA 器件上的试验结果表明上述功能全部正确,
工作稳定良好。
关键词:EDA;数字闹钟;VHDL
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基于 FPGA 的闹钟系统设计
Abstract
Electronic Design Automation is an electronic system or electronic product
design automation technology. EDA technology can be used in both FPGA and
ASIC design. An important feature of EDA is the use of Hardware Description
Languages (HDL) to complete the design in a uniform format.
VHDL is a widespread use of the hardware description language can be used
for a variety of abstraction levels of system design. VHDL greatest feature is
easy to use, learn and use, in a short period of time can master the language.
Meanwhile, the language of the powerful, all levels designed to meet the needs
of the staff.
This paper is using VHDL language to describe the design of an FPGA-based
multifunctional digital alarm symtem. This symtem has the function of accurate
time clock, time calibration, regular alarm clock and so on. This paper first
introduces the basic knowledge of the EDA, then introduces the design of the
multifunctional digital clock and the development of the source code. After the
simulation、synthesis on Quartus software, the source code downloads to the
GW48 development box, test results on the FPGA devices shows that all of the
above functions are correct and stable.
Key Words: EDA;Digital alarm system;VHDL
2
基于 FPGA 的闹钟系统设计
目 录
前言..........................................................................................................................................4
1. EDA 技术.............................................................................................................................5
1.1 FPGA 简介.................................................................................................................5
1.2 查找表........................................................................................................................6
1.3 VHDL 语言................................................................................................................6
1.3.1 VHDL 概述.....................................................................................................6
1.3.2. VHDL 的优点................................................................................................6
1.3.3 VHDL 开发流程.............................................................................................7
2.数字闹钟系统设计...............................................................................................................8
2.1 数字闹钟系统设计要求:...........................................................................................8
2.1.1 该数字闹钟系统包括以下几个组成部分:....................................................8
2.1.2 该数字闹钟具有如下功能:............................................................................8
2.2 系统的总体设计方案................................................................................................9
2.3 闹钟系统的硬件电路:..........................................................................................10
2.4 系统各组成部分的原理框图..................................................................................11
2.5 系统的主要 VHDL 源程序.....................................................................................18
3.结束语.................................................................................................................................28
致 谢.......................................................................................................................................30
参考文献................................................................................................................................31
3
基于 FPGA 的闹钟系统设计
前言
EDA 技术是指以大规模可编程逻辑器件为载体,以硬件描述语言为系统
逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件
及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件方式
设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合
及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、
逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一
门技术,或称为 IES/ASIC 自动设计技术。利用 EDA 技术进行电子系统的
设计,具有以下几个特点:用软件的方式设计硬件;用软件方式设计的系
统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;设计过程中可用有
关软件进行各种仿真;系统可现场编程,在线升级;整个系统可集成在一
个芯片上,体积小、功耗低、可靠性高。因此 EDA 技术是现代电子设计
的发展趋势。
EDA 技术涉及面广,内容丰富,其中主要有以下四个方面:①大规模可编
程逻辑器件;②硬件描述语言;③软件开发工具 ;④实验开发系统。其
中,大规模可编程逻辑器件是利用 EDA 技术进行电子系统设计的载体,
硬件描述语言是利用 EDA 技术进行电子系统设计的主要表达手段,软件
开发工具是利用 EDA 技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具,
实验开发系统则是利用 EDA 技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验
证工具。
可编程逻辑器件(简称 PLD)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新
型逻辑器件。FPGA 和 CPLD 分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑
器件的简称。现在,FPGA 和 CPLD 器件的应用已十分广泛,它们将随着
EDA 技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。
常用的硬件描述语言有 VHDL、Verilog、ABEL。而 VHDL 作为 IEEE 的
工业标准硬件描述语言,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述
语言。在新的世纪中,VHDL 和 Verilog 语言将承担几乎全部的数字系统
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基于 FPGA 的闹钟系统设计
设计任务。
目前比较流行的、主流厂家的 EDA 的软件工具有 Altera 的 MAX+plus
II、Lattice 的 ispEXPERT、Xilinx 的 Foundtion Series。
实验开发系统提供芯片下载电路及 EDA 实验/开发的外围资源(类似于用
于单片机开发的仿真器),以供硬件验证用。一般包括:①实验或者开发
所 需 的 各 类 基 本 信 号 发 生 模 块 , 包 括 时 钟 、 脉 冲 、 高 低 电 平 等 ;
② FPGA/CPLD 输出信息显示模块,包括数码显示、发光管显示、声响指
示等;③监控程序模块,提供“电路重构软配置”;④目标芯片适配座以及
上面的 FPGA/CPLD 目标芯片和编程下载电路。
1. EDA 技术
1.1 FPGA 简介
FPGA 是现场可编程逻辑门阵列的简称。FPGA 器件及其开发系统是开发
大规模数字集成电路的新技术。它利用计算机辅助设计,绘制出实现用户
逻辑的原理图、编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入;然
后经过一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程;最后生成配置
FPGA 器件的数据文件,对 FPGA 器件初始化。这样就实现了满足用户要
求的专用集成电路,真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成
电路的目的。FPGA 具有以下特点:高密度、高速率、系列化、标准化、
小型化、多功能、低功耗、低成本,设计灵活方便,可无限次反复编程,
并可现场模拟调试验证。使用 FPGA 器件,一般可在几天到几周内完成一
个电子系统的设计及制作,可以缩短研制周期,达到快速上市和进一步降
低成本的要求。
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mu7xuan
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