《2011第7章 EDA技术综合设计应用(讲课用简)课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2011第7章 EDA技术综合设计应用(讲课用简)课件（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020/8/3,1,第7章 EDA技术综合设计应用,7.1 数字闹钟的设计,2020/8/3,2,7.1 数字闹钟的设计,显示屏: 由4个七段数码管组成，显示时间(闹钟)(时：分) 数字键0-9: 用于输入新的时间或新的闹钟时间； TIME(时间)键: 用于确定新的时间设置； ALARM(闹钟)键: 用于确定新的闹钟时间设置，或显示已设置 的闹钟时间； 扬声器: 在当前时钟时间与闹钟时间相同时，发出蜂鸣声。,7.1.1 系统的设计要求, 设计一个24小时的数字闹钟，它包括以下几个组成部分：,2020/8/3,3,该数字闹钟的面板图:,图7.1数字闹钟的面板图,2020/8/3,4,(1) 计
2、时功能：每隔一分钟计时一次，并显示当前时间。 (2) 闹钟功能：当前时间与闹钟时间相同，扬声器发出蜂鸣声。 (3) 设置新的计时时间：用户用数字键09输入新的时间，然后按 “TIME”键确认。在输入过程中，输入数字在显示屏上从右到左依次显示。例如，用户要设置新的时间12：34，则按顺序输入“1”，“2”，“3”，“4”键，与之对应，显示屏上依次显示的信息为：“1”，“12”，“123”，“1234”。如果用户在输入任意几个数字后较长时间内，例如5s，没有按任何键，则数字闹钟恢复到正常的计时显示状态。,该数字闹钟的功能：,2020/8/3,5,(4) 设置新的闹钟时间：用户用数字键“0”-“9”
3、输入新的时间，然后按“ALARM”键确认。过程与(3)类似。 (5) 显示所设置的闹钟时间：在正常计时显示状态下，用户直接按下“ALARM”键，则已设置的闹钟时间将显示在显示屏上。,2020/8/3,6,将该数字闹钟命名为ALARM_CLOCK，根据该数字闹钟的设计要求，其外部端口如图7.2所示。,图7.2 数字闹钟的外部端口,7.1.2 系统的总体设计,1. 整体组装端口说明,2020/8/3,7,输入端口： CLK：外部时钟信号。 RESET：外部复位信号。 KEYPAD ： 10位信号，若其中某一位为高电平，则表示用户按下了 相应下标的数字键。例如，若KEYPAD(5) = 1，表示用户
4、按下了数字键“5”。本设计不考虑用户同时按下多个数字键的情况，所以任意时刻KEYPAD中只能有一位为1。 KEY_DOWN：(KEY_DOWN= 1)，表示用户按下某一数字键。 ALARM_BUTTON：为高电平时，表示用户按下ALARM键。 TIME_BUTTON：为高电平时，表示用户按下TIME键。,2020/8/3,8, DISPLAY：实际上输出驱动4个七段数码显示管的数据，用于显示时间，如12:20。 SOUND_ALARM：用于控制扬声器发声，当SOUND_ALARM=1时，扬声器发出蜂鸣，表示到了设定的闹钟时间。,输出端口：,2020/8/3,9,(1) 闹钟控制器(ALARM_
5、CONTROLLER)：是整个系统正常有序工作的核 心，按设计要求产生相应的控制逻辑，以控制其他各部分的工作。 (2) 译码器(DECODER)：可将KEYPAD信号转换为09的整型数，以直观地 表示和处理用户输入的数字。 (3) 键盘缓冲器(KEY_BUFFER)：是一个移位寄存器，暂存用户键入的 数字，并且实现用户键入数字在显示器上从右到左的依次显示。这里需 要注意的是，由图7.3可以看出，KEY_BUFFER的时钟端连接的是外部 KEY_DOWN 信号。这表示用户每输入一个数字，KEY_BUFFER移位一次。,2.各组成模块的功能：,根据系统的设计要求，整个系统分为7个模块：,2020/
6、8/3,10,(4) 分频器(FQ_DIVIDER)：将较高速的外部时钟频率分频成每分钟一 次的时钟频率，以便进行时钟计数。 (5) 时间计数器(ALARM_COUNTER)：实际上是一个异步复位、异步置 数的累加器，通常情况下进行时钟累加计数，必要时可置入新的时钟 值，然后从该值开始新的计数。 (6) 闹钟寄存器(ALARM_REG)：用于保存用户设置的闹钟时间，是一 个异步复位寄存器。 (7) 显示驱动器(DISPLAY_DRIVER)：根据需要显示当前时间、用户 设置的闹钟时间或用户通过键盘输入的新的时间，同时判断当前时间 是否已到了闹钟时间，实际上是一个多路选择器加比较器。,2020/
7、8/3,11,图7.3 总体结构,2020/8/3,12,(1)模块功能及端口定义： 控制器命名为ALARM_CONTROLLER，其外部如图7.4所示。,图7.4 控制器的外部端口,7.1.3 单元模块设计：,1、闹钟控制器的设计,2020/8/3,13,(1) LOAD_NEW_A: 高电平有效，控制(闹钟时间寄存器)加载新的闹钟时间值。 (2) LOAD_NEW_C: 高电平有效，控制(时钟计数器)设置新的时间值。 (3) SHOW_NEW_TIME： SHOW_NEW_TIME=1：控制(七段数码显示电路)显示新的时间值，即用户通过 数字键输入的时间； SHOW_NEW_TIME=0：
8、当SHOW_A=1，控制显示闹钟时间， 当SHOW_A=0，控制显示当前时间。,输入端口：,(1) CLK：外部时钟信号。 (2) RESET：复位信号。 (3) KEY：用户按下数字键(“0”“9”)标志，高电平有效。 (4) ALARM_BUTTON：用户按下“ALARM”键标志，高电平有效。 (5) TIME_BUTTON：用户按下“TIME”键标志，高电平有效。,输出端口：,2020/8/3,14,S0：表示电路初态即正常时钟计数状态，完成前面设计功能 (1) 的工作。 S1：接收键盘输入状态。在状态S0时用户按下数字键后进入此状态。在此状态下，显示屏上显示的是用户键入的数字。 S2：
9、设置新的闹钟时间。在状态S1时用户按下ALARM 键后进入此状态。 S3：设置新的计时时间。在状态S1时用户按下TIME 键后进入此状态。 S4：显示闹钟时间。在状态S0时用户直接按下ALARM 键后进入此状态。在此 状态下，显示屏上显示的是所设置的闹钟时间。注意：在此状态下，用户按下ALARM 键后，显示屏上保持显示闹钟时间，经过一段时间以后，再返回状态S0显示数字闹钟时间。 相应的状态转换及控制如表7.1所示。,(2)状态定义： 控制器的功能可以通过有限状态机(FSM)的方式来实现。根据设计要求及端口设置，需要5个状态来实现：,2020/8/3,15,表7.1 控制器状态转换及控制输出表,
10、表7.1中没有显式说明的控制信号赋值，表示信号的值为零。例如在状态S0，当信号KEY =1时，SHOW_NEW_TIME信号的赋值为1，而其他信号LOAD_NEW_A，LOAD_NEW_C和SHOW_A的值此时都赋为0。,2020/8/3,16,S0,S1,S4,S2,S3,(3) 状态转换图：,2020/8/3,17,LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； USE WORK.P_ALARM.ALL； ENTITY ALARM_CONTROLLER IS PORT( RESET ：IN STD_LOGIC； CLK ：IN STD_LOGIC； K
11、EY ：IN STD_LOGIC； ALARM_BUTTON ：IN STD_LOGIC； TIME_BUTTON ：IN STD_LOGIC； LOAD_NEW_A ：OUT STD_LOGIC； LOAD_NEW_C ：OUT STD_LOGIC； SHOW_NEW_TIME ：OUT STD_LOGIC； SHOW_A ：OUT STD_LOGIC)； END ALARM_CONTROLLER；,(4) VHDL源程序：,2020/8/3,18,ARCHITECTURE ART OF ALARM_CONTROLLER IS TYPE T_STATE IS (S0， S1， S2， S3，
12、S4)； CONSTANT KEY_TIMEOUT ：T_SHORT ：= 500； CONSTANT SHOW_ALARM_TIMEOUT ： T_SHORT ：= 500； SIGNAL CURR_STATE ： T_STATE； SIGNAL NEXT_STATE ： T_STATE； SIGNAL COUNTER_K ： T_SHORT； SIGNAL ENABLE_COUNT_K ： STD_LOGIC； SIGNAL COUNT_K_END ： STD_LOGIC； SIGNAL COUNTER_A ： T_SHORT； SIGNAL ENABLE_COUNT_A ： STD_LO
13、GIC； SIGNAL COUNT_A_END ： STD_LOGIC；,常数名,数据类型,设置值,2020/8/3,19,BEGIN PROCESS(CLK，RESET) BEGIN IF RESET =1 THEN CURR_STATE = S0； - - 异步复位 ELSIF RISING_EDGE(CLK) THEN CURR_STATE = NEXT_STATE； END IF； - - 状态转换 END PROCESS；,2020/8/3,20,PROCESS(KEY，ALARM_BUTTON，TIME_BUTTON， CURR_STATE， COUNT_A_END，COUNT_K
14、_END) BEGIN NEXT_STATE = CURR_STATE； LOAD_NEW_A = 0； LOAD_NEW_C = 0； SHOW_A = 0； SHOW_NEW_TIME = 0； ENABLE_COUNT_K = 0； ENABLE_COUNT_A = 0； - - 设初值，初始化,2020/8/3,21,CASE CURR_STATE IS WHEN S0 = IF (KEY = 1) THEN NEXT_STATE = S1； SHOW_NEW_TIME = 1； - - 控制显示键入的时间 ELSIF (ALARM_BUTTON = 1) THEN NEXT_STAT
15、E = S4； SHOW_A = 1； - - 控制显示闹钟时间 ELSE NEXT_STATE = S0； END IF；,2020/8/3,22,WHEN S1 = IF (KEY = 1) THEN NEXT_STATE = S1； ELSIF (ALARM_BUTTON = 1) THEN NEXT_STATE = S2； LOAD_NEW_A = 1； - - 控制设定新的闹钟时间 ELSIF (TIME_BUTTON = 1) THEN NEXT_STATE = S3； LOAD_NEW_C = 1； - - 控制设定新的计时时间 ELSE IF (COUNT_K_END = 1) THEN NEXT_STATE = S0； ELSE NEXT_STATE = S1； - - 超时判断 END IF； ENABLE_COUNT_K = 1；- - 打开超时判断定时器 END IF； SHOW_NEW_TIME = 1； - - 控制显示键入的时间,2020/8/3,23,WHEN S2 = IF (ALARM_BUTTON =
