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1、- I -毕毕 业业 论论 文文（设设 计计）题 目 基于基于 VHDLVHDL 的乒乓球游戏机的设计的乒乓球游戏机的设计 英文题目 Design of table tennis game based on VHDL 院 系 专 业 姓 名 年 级 指导教师 2015 年 4 月 基于VHDL 的乒乓球游戏机设计- II -摘摘 要要VHDL 是甚高速集成电路硬件描述语言。目前，VHDL 已成为许多设计自动化工具普遍采用的标准化硬件描述语言。VHDL 语言功能性强，覆盖面广，灵活性高，具有很好的实用性。本文设计一个基于 VHDL 的乒乓游戏机，乒乓游戏机由状态机、记分器、译码显示器与按键去抖等
2、部分所组成。通过对各部分编写 VHDL 程序，然后进行编译、仿真、逻辑综合、逻辑适配，最后进行编程下载，并且通过 GW48 型 EDA 实验箱的验证，实现乒乓游戏机的基本功能。关键词关键词：VHDL；GW48；乒乓游戏机关键词：写作规范；排版格式；大专毕业论文- III -Design of table tennis game based on VHDLAbstractVHDL is high speed IC hardware describe language. VHDL already becomes the language of normalizing hardware descri
3、be that a lot of design automation implement adopts commonly at present. The VHDL language function is strong. The face covering is broad, flexibility high and have the very good pragmatism. One main body of the book is designed waits for what part group is accomplished owing to that VHDL table tenn
4、is game machine, table tennis game machine go to tremble from state machine, marker, decoding display and button. By compiling and composing VHDL procedure to every part, then compiling, simulate, logic synthesis, logic fitting. Carry out programming time be loaded with finally. Then verification an
5、d by GW48 type EDA experiment box, realize table tennis game machines fundamental function.Key words: VHDL; GW48; Table tennis game machine基于VHDL 的乒乓球游戏机设计- IV -目 录摘 要IIAbstract.III引 言.11VHDL 简介 21.1VHDL 的特点及优点 .21.2 设计流图.32模块设计.62.1 七段数码管显示译码器.72.2 按键去抖电路.102.3 状态机设计.122.3.1 状态机的 6 种状态及状态转移122.3.2
6、状态机/球台控制程序 133.4 记分器设计.193系统硬件测试.233.1GW48 系统的主要性能和特点233.2FPGA 目标芯片管脚图233.3 系统的编译、综合、适配.253.4 系统的有关仿真.283.5 系统的编程配置.31参考文献.34致谢.351引 言随着社会的进步和工业技术的发展，在电子线路设计领域中，设计自动化工具已经逐步为设计者所接受，成为主要的设计手段。目前，VHDL 已成为许多设计自动化工具普遍采用的标准化硬件描述语言，掌握 VHDL 语言，用 VHDL 语言设计电子线路，是电子线路设计者必须掌握的基本技能。VHDL 支持数字电路的开发环境，VHDL 也支持各种设计方
7、法：自顶向下、自底向上或混合的方法1。VHDL 语言功能性强，覆盖面大，灵活性高，具有很好的实用性2。本文设计一个基于 VHDL 的乒乓游戏机，乒乓游戏机是由 5 个发光二极管代表乒乓球台，中间的发光二极管兼作球网，用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动。在游戏机的两侧各设置两个开关，甲乙二人按乒乓球比赛规则来操作开关。本设计由译码显示器、记分器、状态机/球台控制器与按键去抖等部分组成。本设计是用实验箱 GW48 进行模拟乒乓机，用发光二极管代表乒乓球台，最中间的发光二极管作球网，用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动，用按钮设置发球和接球开关。设计总体要求：乒乓机能模拟乒乓球
8、比赛的基本过程和规则，并能自动裁判和记分。本设计的主要任务和要求如下：（1）使用乒乓机的甲乙双放在不同的位置发球或击球。（2）乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依次点亮的方向决定。球的速度为 0.1s-0.5s 移动 1 位。球过网，接球方向即可击球，提前击球或没击球均判失分。（3）比赛按 21 分为一局进行，甲乙双方都应设置自己的记分牌，任何一方先记满 21 分，该方就算胜出，按 RESET 复位重新开局。基于VHDL 的乒乓球游戏机设计21VHDL 简介VHDL 是 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language
9、 的缩写，即“甚高速集成电路硬件描述语言”，最初由美国国防部和 INTER、IBM、TI 公司联合开发，1987 年成为 IEEE 标准，即 IEEE1076 标准（俗称 87 版 VHDL）1。此后，美国国防部要求官方与高速集成电路设计的所有文档必须用 VHDL 描述，因为 VHDL在电子设计领域得到了广泛的应用，渐渐成为工业界的标准。1993 年，IEEE 对 VHDL进行了修订，公布了新的 VHDL 标准，即 IEEE1076-1 993 版（俗称 93 版 VHDL）3。1.1VHDL 的特点及优点VHDL 具有以下特点4：（1）支持“自顶向下”的设计方法：设计可按层次分解，采用结构化
10、开发手段，可实现多人、多任务的并行工作方式，使系统的设计效力大幅提高。（2）系统硬件描述能力强：可以同时支持“行为描述”、“数字流描述”和“结构描述”3 种描述方式，并可混用5。其中，强大的“行为描述”能力使设计者可以避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统。这一特点使 VHDL 成为系统设计领域中最佳的硬件描述语言。（3）系统仿真能力强：VHDL 最初是作为一种仿真标准问世的，因此 VHDL 具有仿真语句和库函数。另外，VHDL 强大的“行为描述”能力也使其十分适用于系统级仿真。（4）工艺无关性6：在使用 VHDL 设计系统硬件时，没有嵌入与工艺相关的信息。正因为 VHDL
11、的硬件描述与具体工艺无关，因而其程序的硬件实现目标器件有广阔的选择范围，其中包括各种 CPLD、FPGA 及 ASIC 等。同时，VHDL 具有以下优点7：（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL 具有更强的行为描述能力。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行 EDA 工具和 VHDL 综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的VHDL 程序综合成为具体 FPGA 和 CPLD 等目标器件的网表文件已不成问题，只是在综合与优化效率上略有差异。3（2）VHDL 具有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期，就能查验设计系统的功能可
12、行性，随时可对系统进行仿真模拟，使设计者对整个工程的结构和功能可行性做出判断。（3）VHDL 语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。高效、高速完成符号市场需求的大规模系统设计必须有多人甚至多个开发组共同并行工作才能实现。VHDL 中设计实体的概念、程序包的概念、设计库的概念为设计的分解和并行工作提供了有利的支持。（4）用 VHDL 完成一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑综合和优化，并自动把 VHDL 描述设计转变成门级网表(根据不同的芯片)。这种方式突破了门级设计的瓶颈，极大地减少电路设计的时间和可能发生的错误，降低了开发成本。利用E
13、DA 工具的逻辑优化功能，可以自动地把一个综合后的设计变成一个更小、更高速的电路系统。反过来，设计者还可以容易地从综合和优化的电路获得设计信息，返回去修改 VHDL 设计描述，使之更加完善。（5）VHDL 对设计的描述具有相对独立性。设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计的目标器件是什么，而进行独立的设计。正因为 VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关，所以 VHDL 设计程序的硬件实现目标器件有广阔的选择范围，其中包括各种系列的 CPLD、FPGA 及各种门阵列器件。（6）VHDL 具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或
14、函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。正因为 VHDL 有如此多的特点和优点，所以本设计运用 VHDL 进行乒乓球游戏机软设计。1.2 设计流图设计流程图如图 1 所示。这一流程图基本可使用任何基本硬件描述语言的设计。下面对这个流程中的步骤进行说明1：（1）系统层次划分/画出系统框图（Hierarchy/Block Diagram）：按照“自顶向下”的设计方法对系统进行划分（确定系统由哪些模块构成，各个模块又由哪些子模块构成）。（2）编码：写出 VHDL 代码，大多数集成开发环境（如 MAX+plus2 等）都集成了针对 VHDL 的编辑。这些编辑器一般都具有 VHDL 关键词的亮点显示等特点
15、，有的还内嵌了常用的 VHDL 程序模块。基于VHDL 的乒乓球游戏机设计4图图 1 VHDL 的设计流程图的设计流程图（3）编译（Compilation）：编译器会对 VHDL 程序进行语法检查，还会产生用于仿真的一些内部信息。这一步骤通常由编译器自动完成，无须我们干预。如果 VHDL语言有错误，编译无法通过，则需要修改程序，即回到第（2）步。事实上，VHDL 设计过程中，常常根据需要往后退一步，甚至更多。（4）功能仿真（Functional Simulation）：VHDL 仿真器允许定义输入并应用到设计中，不必生成实际电路就可以观察输出。此仿真主要用于检验系统功能设计的正确性，不涉及具体器件的硬件特性。（5）综合（Synthesis）：利用综合器对 VHDL 代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将 VHDL 语言描述转化为硬件电路的关键步骤。这一步通常由综合器自动完成，但设计者可以设定一些技术上的约束条件（如限定逻辑层次的最大数等）来“帮助”综合器。（6）适配（Fitting）：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布
