1、#課程設計 I 摘摘 要要人類社會已進入到高度發達的信息化社會，信息社會的發展離不開電子產品的進步。 現代電子產品在性能提高、復雜度增大的同時，價格卻一直呈下降趨勢，而且產品更新換代的步伐 也越來越快，實現這種進步的主要原因就是生產制造技術和電子設計技術的發展。前者以微細加工技術為代表，目前已進展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數千萬個晶體管；后者的核心就是 EDA 技術。EDA 是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、智能化 技術最新成果而研制成的電子 CAD 通用軟件包，主要能輔助進行三方面的設計工作：IC 設計,電子 電路設計以及 PCB 設計。沒有 EDA

2、技術的支持，想要完成上述超大規模集成電路的設計制造是不可想象的，反過來，生產制造技術的不斷進步又必將對 EDA 技術提出新的要求。此設計是設計一個 BCD-七段譯碼器，通過 4 個輸入 7 個輸出來顯示 09 這 10 個數字。應用 MAX+PLUSII 軟件，應用 VHDL 語言編程，實現上述功能。關鍵字關鍵字：EDA 技術，電子設計自動化， MAX+PLUSII， VHDL 語言BCD-七段譯碼器 IIAbstractThe human society entered to the highly developed informationization society, informati

3、on societys development cannot leave the 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 quicke

4、r, realizes this kind of progressive primary 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 cen

5、timeters chips; The latters core is EDA 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 ca

6、n assist carries on three aspects the project 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

7、will progress unceasingly will certainly 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

8、 technology，Electronic design automation, MAX+PLUSII, VHDL language#課程設計 III 目目 錄錄摘 要 .IABSTRACT.II引 言.1第 1 章可編程邏輯器件和 DEA 設計技術.21.1 可編程邏輯器件.21.2EDA 設計技術 .21.2.1 EDA 設計技術的發展史 .21.2.2 EDA 設計技術的基本特征 .31.2.3 EDA 設計技術的基本方法 .3第二章 VHDL 設計方法.42.1 VHDL 概述.42.2 VHDL 程序的結構.42.3 VHDL 的特點.52.4 VHDL 程序的元素.52.5 VH

9、DL 程序的描述語句.6第 3 章 BCD-七段譯碼器.73.1 MAX+PLUSII 軟件介紹.73.2 BCD-七段譯碼器的功能分析與模塊劃分.73.2.1 BCD-七段譯碼器的邏輯功能表.73.2.2 BCD-七段譯器器的 VHDL 語言.83.2.3 BCD-七段譯碼器的源程序.93.2.4 BCD-七段譯碼器的仿真圖.93.2.5 頂層電路圖.11結 論.12致 謝.13參考文獻.14附錄 A1.1.15附錄 A1.2.16#課程設計 1 引引 言言20 世紀 90 年代，國際上電子和計算機技術較先進的國家，一直在積極探索新的電子電路設計方法，并在設計方法、工具等方面進行了徹底的變革

10、，取得了巨大成功。在電子技術設計領域，可編程邏輯器件（如 CPLD、FPGA）的應用，已得到廣泛的普及，這些器件為數字系統的設計帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對其硬件結構和工作方式進行重構，從而使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統的數字系統設計方法、設計過程和設計觀念，促進了 EDA 技術的迅速發展。 EDA 是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，在 20 世紀 90 年代初從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的。EDA

11、技術就是以計算機為工具，設計者在 EDA軟件平臺上，用硬件描述語言 VHDL 完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA 技術的出現，極大地提高了電路設計的效率和可靠性，減輕了設計者的勞動強度。BCD-七段譯碼器 2 第第 1 1 章章 可編程邏輯器件和可編程邏輯器件和 DEADEA 設計技術設計技術1.1 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 英文全稱為： programmable logic device 即 PLD。 PLD 是做為一種通用集成電路產生的，他的邏輯功能按照用戶對器件編程來

12、確定。一般的 PLD 的集成度很高，足以滿足設計一般的數字系統的需要。這樣就可以由設計人員自行編程而把一個數字系統 “集成”在一片 PLD 上，而不必去請芯片制造廠商設計和制作專用的集成電路芯片了。PLD 與一般數字芯片不同的是： PLD 內部的數字電路可以在出廠后才規劃決定，有些類型的 PLD 也允許在規劃決定后再次進行變更、改變，而一般數字芯片在出廠前就已經決定其內部電路，無法在出廠后再次改變，事實上一般的模擬芯片、混訊芯片也都一樣，都是在出廠后就無法再對其內部電路進行調修。1.2 EDA 設計技術EDA（Electronic Design Automation）即電子設計自動化，它的定義

13、是指利用計算機來完成電子系統的設計。EDA 技術就是以計算機硬件和系統軟件為操作平臺，借鑒前人的電路和系統、數據庫管理、圖形學、圖論和拓撲邏輯、編譯原理、計算數學、人工智能和微電子學集成電路設計等領域中的最新科技成果而研制開發的商品化 DEA 通用支撐軟件和應用軟件包，目的是幫助設計人員在計算機上完成數字系統的邏輯綜合、布局布線、設計仿真和印制電路板設計等工作。1.2.11.2.1 EDAEDA 設計技術的設計技術的發展史發展史回顧近 30 年電子設計技術的發展歷程，可將 EDA 技術分為三個階段。七十年代為CAD 階段，這一階段人們開始用計算機輔助進行 IC 版圖編輯和 PCB 布局布 線，

14、取代了手工操作，產生了計算機輔助設計的概念。八十年代為 CAE 階段，與 CAD 相比，除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設 計和結構設計，并且通過電氣連接網絡表將兩者結合在一起，以實現工程設計，這就是計算機輔助 工程的概念。CAE 的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB 后分 析。九十年代為 ESDA 階段。盡管 CAD/CAE 技術取得了巨大的成功，但并沒有把人從繁重的 設計工作中徹底解放出來。在整個設計過程中，自動化和智能化程度還不高，各種 EDA 軟件界面千 差萬別，學習使用困難，并且互不兼容，直接影響到設計環節間的銜接。基于以上不足，人們開始 追求

15、貫徹整個設計過程的自動化，這就是 ESDA 即電子系統設計自動化。#課程設計 3 1.2.21.2.2 EDAEDA 設計技術的基本特征設計技術的基本特征 ESDA 代表了當今電子設計技術的最新發展方向，它的基本特征是：設計人員按照自頂向下的設計方法，對整個系統進行方案設計和功能劃分，系統的關鍵電路用一片或幾片專用集成 電路（ASIC）實現，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法，具體流程還將在 4.2 節中做深入介紹。下面介紹與 ESDA 基本特征有關的幾個概念。1.2.31.2.3 EDAEDA

16、設計技術的設計技術的基本方法基本方法 EDA 技術的每一次進步,都引起了設計層次上的一個飛躍。 - 物理級設計主要指IC 版圖設計，一般由半導體廠家完成，對電子工程師并沒有太大的 意義，因此本文重點介紹電路級設計和系統級設計。(1). 電路級設計 -電子工程師接受系統設計任務后，首先確定設計方案，同時要選擇能實現該方案的合適 元器件，然后根據具體的元器件設計電路原理圖。(2). 系統級設計 - 進入 90 年代以來，電子信息類產品的開發出現了兩個明顯的特點：一是產品的復雜程 度加深，二是產品的上市時限緊迫。(3). 高層次設計步驟如下： 第一步：按照自頂向下的設計方法進行系統劃分。第二步：輸入

17、 VHDL 代碼，這是高層次設計中最為普遍的輸入方式。此外，還可以采用圖形輸入 方式（框圖，狀態圖等），這種輸入方式具有直觀、容易理解的優點。第三步： 將以上的設計輸入編譯成標準的 VHDL 文件。第四步：利用綜合器對 VHDL 源代碼進行綜合優化處理，生成門級描述的網表文件,這是將高層次 描述轉化為硬件電路的關鍵步驟。第五步：利用適配器將綜合后的網表文件針對某一具體的目標器件進行邏輯映射操作，包括底 層器件配置、邏輯分割、邏輯優化和布局布線。適配完成后，產生多項設計結果：適配報告，包 括芯片內部資源利用情況，設計的布爾方程描述情況等；適配后的仿真模型；器件編程文件。 根據適配后的仿真模型，可

18、以進行適配后的時序仿真，因為已經得到器件的實際硬件特性（如時延 特性），所以仿真結果能比較精確地預期未來芯片的實際性能。第六步： 將適配器產生的器件編程文件通過編程器或下載電纜載入到目標芯片 FPGA或 CPLD 中。 如果是大批量產品開發，通過更換相應的廠家綜合庫，可以很容易轉由ASIC 形式實現。 BCD-七段譯碼器 4 第二章第二章 VHDL 設計方法設計方法2.1 VHDL 概述 VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，誕生于 1982 年。1987 年底，VHDL 被 I

19、EEE 和美國國防部確認為標準硬件描述語言。 VHDL主要用于描述數字系統的結構，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統）分成外部（或稱可視部分 ,及端口)和內部（或稱不可視部分），既涉及實體的內部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內部開發完成后，其他的設計就可以直接調用這個實體。這種將設計實體分成內外部分的概念是VHDL系統設計的基本點。2.2 VHDL 程序的結構 一般來說，一個完整的VHDL

20、程序包括5個部分，分別是庫、程序包、實體、結構體和配置，它們之間的結構關系如圖2-1所示。 圖2-1 VHDL程序的結構組成#課程設計 5 2.3 VHDL 的特點 VHDL 語言能夠成為標準化的硬件描述語言并獲得廣泛應用 , 它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優點。歸納起來 ,VHDL 語言主要具有以下優點： (1) VHDL 語言功能強大 , 設計方式多樣 VHDL 語言具有強大的語言結構 , 只需采用簡單明確的 VHDL 語言程序就可以描述十分復雜的硬件電路。同時 , 它還具有多層次的電路設計描述功能。此外 ,VHDL 語言能夠同時支持同步電路、異步電路和隨機電路的設計實現 ,

21、 這是其他硬件描述語言所不能比擬的。VHDL 語言設計方法靈活多樣 , 既支持自頂向下的設計方式 , 也支持自底向上的設計方法 ; 既支持模塊化設計方法 , 也支持層次化設計方法。 (2) VHDL 語言具有強大的硬件描述能力 VHDL 語言具有多層次的電路設計描述功能，既可描述系統級電路 , 也可以描述門級電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結構描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準確地建立硬件電路的模型。 VHDL 語言的強大描述能力還體現在它具有豐富的數據類型。VHDL 語言既支持標準定義的數據類型，也支持用戶定義的

22、數據類型，這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。 (3) VHDL 語言具有很強的移植能力 VHDL 語言很強的移植能力主要體現在 : 對于同一個硬件電路的 VHDL 語言描述 , 它可以從一個模擬器移植到另一個模擬器上、從一個綜合器移植到另一個綜合器上或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺上去執行。 (4) VHDL 語言的設計描述與器件無關 采用 VHDL 語言描述硬件電路時 , 設計人員并不需要首先考慮選擇進行設計的器件。這樣做的好處是可以使設計人員集中精力進行電路設計的優化 , 而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設計描述完成以后 ,VHDL 語言允許采用多種不同的器件結構來實現。 (5

23、) VHDL 語言程序易于共享和復用 VHDL 語言采用基于庫 ( library) 的設計方法。在設計過程中 , 設計人員可以建立各種可再次利用的模塊 , 一個大規模的硬件電路的設計不可能從門級電路開始一步步地進行設計 , 而是一些模塊的累加。這些模塊可以預先設計或者使用以前設計中的存檔模塊, 將這些模塊存放在庫中 , 就可以在以后的設計中進行復用。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優化和布線的標準硬件描述語言 , 因此它可以使設計成果在設計人員之間方便地進行交流和共享 , 從而減小硬件電路設計的工作量 , 縮短開發周期。2.4 VHDL 程序的元素VHDL程序中經常使用常量、信

24、號和變量，它們都是用來保持一個數據的客體單元，一般稱作數據對象。每一個數據對象都有一個類型用來確定對象所保持的那一類數據。BCD-七段譯碼器 6 VHDL是一種非常嚴格的類型化語言，規定每個對象和表達式都要有唯一的確定類型。VHDL和其他高級語言一樣，具有多種豐富的數據類型，同時設計人員還可以自己定義數據類型，從而給設計帶來了很大的方便和自由。另外，VHDL中具有豐富的運算操作符，它們給設計的具體描述帶來了極大的靈活性。2.5 VHDL 程序的描述語句 VHDL 中的描述語句按照執行順序的不同，可以分為兩種：并行描述語句和順序描述語句。其中，并行描述語句是指語句的執行順序與書寫順序無關，所有語

25、句是并行執行的；順序描述語句是指語句的順序是按照語句的書寫順序依次執行的。通常，并行描述語句用于表示算法模塊間的連接關系，而順序描述語句則用于實現模塊的算法部分。 #課程設計 7 第第 3 章章 BCD-七段譯碼器七段譯碼器3.1 MAX+PLUSII 軟件介紹Max+plus是 Altera 公司提供的 FPGA/CPLD 開發集成環境，Altera 是世界上最大可編程邏輯器件的供應商之一。 Max+plus界面友好，使用便捷，被譽為業界最易用易學的 EDA 軟件。在 Max+plus上可以完成設計輸入、元件適配、時序仿真和功能仿真、編程下載整個流程，它提供了一種與結構無關的設計環境，是設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。3.2 BCD-七段譯碼器的功能分析與模塊劃分LED 數碼管顯示電路是工程項目中使用較廣的一種輸出顯示器件。常見的數碼管有共陰和共陽 2 種。共陰數碼管是將 8 個發光二極管的陰極連接在一起為公共端，而共陽數碼管是將 8 個發光二極管的陽極連接在一起作為公共端。公共端常被稱作位碼，而將其他的 8 位稱做段碼，這 8 位分別是 a，b, c, d, e, f, g 及 h，它們對應數碼管的七個段位和一個小數點兒。a，b, c, d, e, f 及 g 這七