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基于FPGA和Verilog_HDL的交通灯设计.pdf
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更新于2023-05-14
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这是芯随心动教程中基于FPGA和Verilog_HDL的交通灯设计文档,内含完整设计流程及相关代码,供有需要的小伙伴学习。
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基于 FPGA和 Verilog HDL的交通灯控制器设计
芯随心动 2009.4.28
1
中文摘要与关键词
摘 要
:Verilog HDL作为一种规范的硬件描述语言,被广泛应用于电路的设计中。
他的设计描述可被不同的工具所支持,可用不同器件来实现。利用 Verilog HDL语言自顶
向下的设计方法设计交通灯控制系统,使其实现道路交通的正常运转,突出了其作为硬件
描述语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优点,并通过 Quartus II完成综合、仿
真、进行管脚分配、绘出仿真波形及 RTL原理图。此程序通过下载到 FPGA芯片后,可应用
于实际的交通灯控制系统中。
关键词
:Verilog HDL;硬件描述语言;状态;FPGA
基于 FPGA和 Verilog HDL的交通灯控制器设计
芯随心动 2009.4.28
2
英文摘要与关键词
Abstract
:
As a common language for the description of hardware, Verilog HDL
is widely appl ied in circuit designing The design description can be supportted
by differenttools and implemented by different devices In this paper, the process
of design ing traffic light controller system by the Verilog HDL topdown design
method is presented, which has made the road traffic work well, the design of t
his system has shown the readability, portability and easily understanding of
Verilog HDL as a hard description language Circuit synthesis、simulation、to pin
allocation and RTL simulation waveform drawn schematic are pe rformed by Quartus
II .The program can be used in the truly traffic light controller system by
downloading to the FPGA chip
Keywords
:
Verilog HDL; hardware description language; state; FPGA
基于 FPGA和 Verilog HDL的交通灯控制器设计
芯随心动 2009.4.28
3
第一章 绪 论
近 20年来,电子系统的设计方法都发生了深刻的变化。在以前,数字系统多才用搭
积木的方式设计的,即由一些固定的功能的器件加上一定的外围电路构成模块,由这些模
块在进一步构成各种功能的电路。构成系统的“积木快”是固定的,用户只能根据需要从
标准器件中选出最合适的,并按照推荐的电路搭成系统。在设计几乎没有灵合性可言,设
计一个系统所需的芯片种类数量越来越多。
而 FPGA(现场可编程阵列)等 PLD器件和 EDA技术的出现改变了传统的设计思路,使人
们可以通过设计芯片来实现各种不同的功能电路。新的设计方法能够有设计者自己定义器
件的内部逻辑合管脚,将原来有电路板设计完成的工作大部分放在芯片的设计中进行。这
样就可以通过芯片设计实现各种数字逻辑功能,而且由于管脚定义的灵合性,大大地减轻
了原理图和印制电路板设计的工作量和难度,还增加了设计的自由度,提搞了效率。同时
减少了所用芯片的种类和数量,缩小了体积,降低了功耗,提高了系统的可靠性。基于 FPGA
和 EDA技术的优越性,科研人员致力于有关方面的研究,1985年 Xilinx推出自己的第一
片 FPGA,到今天,FPGA已经从最初的 1000多个可用门发展到现在的百万门以上,工艺尺
寸也达到了 0.15微米的深亚微米级,金属布线层数也达到了 7层以上。Atlera先后推出
了 MAX 7000、MAX 9000、FLEX 10K、ACEX 1K APEX 20k、APEX-E、Mercury Devices、Straix
Devices、Cyclone等器件系列,其集成度不断提高,可用门数已达到百万门以上。在器件
中,除集成各种逻辑门和寄存器外,还植入了嵌入式系统块,可构成 RAM 、ROM 、FIFO
或者 CAM等储存器,也可以用作乘积项以实现一般的逻辑功能。
当前基于 EDA技术的设计中,有两种基本的设计思路,一种是自上而下的设计思路,
一种是自下而上的设计思路。Top-down设计,即自上而下的设计,这种设计方法首先从系
统设计入手,在顶层进行功能框图的划分和结构设计,在功能级别进行仿真、纠错,并用
硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,然后用综合工具将设计转化为具体门电路网
表,其对应的物理实现可以是 PLD器件或专用集成电路(ASIC)。由于设计的主要仿真和调
试是在高层次上完成的,这不仅有利于早期发现结构设计错误,避免设计工作的浪费,而
且也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功的效率。在 Top-down设计中,
将设计分成系统级、功能级、门级、开关级等几个不同的层次,按照自上而下的顺序,在
基于 FPGA和 Verilog HDL的交通灯控制器设计
芯随心动 2009.4.28
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不同的层次上,对系统进行设计和仿真。Bottom-up设计,即自下而上的设计,这是一种
传统的设计思路。当前 Top-down设计更为人们所接受,也为更多的 EDA工具所支持,以
为该设计思想更符合人们的逻辑思维的习惯,也容易使设计者对复杂的系统进行合理的划
分与不断的优化。
在该设计中采用了可编程逻辑器件(FPGA)和硬件描述语言(Verilog HDL),改变了
传统的设计思路,设计者可以通过芯片设计来实现各种不同的功能。设计人员使用相应的
仿真软件就可以在短的时间内完成电路的输入、编译、优化、仿真直到最后的芯片制作。
对于 FPGA用户可以反复的编程、擦除、使用,或者在外围电路不变的情况下,用不同的
软件就可实现不同的功能。譬如,如已经用该方法设计完成的交通灯由于用在不同的路口,
对时间设置有不同的要求(或某一路口交通灯的时间设置需要改变)时,并不需要改变外
围硬件电路,只要修改软件的时间预置数即可。
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芯随心动 2009.4.28
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第二章 Verilog HDL语言简介
随着EDA技术的发展,使用硬件描述语言(HDL)进行FPGA设计已经成为主流。目前最
主要的硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL。VHDL发展的比较早并且语法严格,而Verilog
HDL是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言,语法较自由。两者相比,VHDL的书
写规则比Verilog HDL繁琐一些,但是Verilog HDL 相对自由的语法也容易让初学者出错。
2.1 什么是 Verilog HDL
Verilog HDL是一种硬件描述语言,用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层
次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字
系统之间。数字系统能够按层次描述,并可在相同描述中显式地进行时序建模。Verilog HDL
语言具有下述描述能力:设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含
响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。所有这些都使用同一种建模语言。此外,
Verilog HDL语言提供了编程语言接口,通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访
问设计,包括模拟的具体控制和运行。
Verilog HDL语言不仅定义了语法,而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真
语义。因此,用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。语言从C编程语言
中继承了多种操作符和结构。Verilog HDL提供了扩展的建模能力,其中许多扩展最初很
难理解。但是,Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用,这对大多数建模应用
来说已经足够。当然,完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行
描述。
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