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1、长春理工大学毕业论文目 录第一章 绪 论1第二章 可编程逻辑器件概述及设计方案22.1 CPLD/FPGA概述及VHDL语言的特点22.2可编程逻辑器件的分类和发展历程42.3 EPF10K10LC84-4芯片简介52.4 电子时钟的设计方案6第三章 系统电路设计73.1 总体设计73.2 显示电路设计93.2.1 分频器电路103.2.2 扫描电路电路123.2.3 BCD码多路选择器133.2.4 BCD译码器143.2.5 位选码电路153.3 电子时钟计数器电路设计163.3.1 秒和分计数器设计163.3.2 小时计数器设计18总 结24参考文献25致 谢2624- -第一章 绪 论
2、时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化
3、程度的提高，同时也使现代电子产品性能更进一步，产品更新换代的节奏也越来越快。现代电子设计技术的核心是EDA ( Electronic Design Automation ) 技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件。 20世纪80年代末，出现了FPGA（Field Programmable Gate Array）,CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计的原理图输入，自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔综合和化简等方面担任了
4、重要的角色，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。本论文就是应用VHDL语言来实现秒表的电路设计。VHDL语言是标准硬件描述语言，它的特点就是能形式化抽象表示电路结构及行为，支持逻辑设计中层次领域的描述，借用了高级语言的精巧结构简化电路描述，具有电路模拟与验证及保证设计的正确性，支持电路由高层向低层的综合变换，便于文档管理，易于理解和设计重用。本课题选用了Altera公司的FPGA产品并以其专门开发软件为平台，运用VHDL硬件描述语言设计一个电子时钟。CPLD/FPGA以高集成度、高速
5、度和高可靠性而著称，运用FPGA进行产品开发，其开发周期短，投资风险小，产品上市速度快，决定其有着无比的市场前景，是现代EDA技术中广泛运用的硬件。该系统通过VHDL语言和原理图混合应用的方式来实现电子时钟的设计，并下载到硬件之中进行验证。我们将电子时钟的设计分成了四大模块，分别是时间计数器模块；键盘控制模块；显示电路模块和时间调整模块。本次设计主要让我们掌握CPLD/FPGA的研发过程，掌握VHDL语言的编程思想及过程，以及电子时钟基本功能和实现的基本原理。第二章 可编程逻辑器件概述及设计方案可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）是20世纪70年代发展起来
6、的一种新的集成器件。PLD是大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合计算机的软件技术（EDA技术）可以快速、方便地构建数字系统。2.1 CPLD/FPGA概述及VHDL语言的特点 1、CPLD/FPGA概述不论是简单的还是复杂的数字系统都是由基本门来构成的，如与门、或门、非门、传输门等。人们发现，不是所有的基本门都是必须的，如用与非门单一基本门就可以构成其他的基本门。任何的组合逻辑函数都可以化为“与或”表达式。即任何的组合电路（需要提供输入信号的非信号），可以用“与门或门”二级电路实现。同样，任何时序电路都可由组合电路加上存储元件，即锁存器、触发器、RAM构成的。由此人们提出
7、了一种可编程电路结构，即乘积项逻辑阵列结构。当然，“与或”结构组成的PLD器件的功能比较简单。此后，人们又从ROM工作原理、地址信号与输出数据间的关系以及ASIC 的门阵列法中获得启发，构造另外一种可编程的逻辑结构，那就是SRAM查表的方式，并使用多个查找表构成了一个查表阵列，称为可编程门阵列（Programmable Gate Array）。 可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。 在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。 现在最新的FPGA器件，如Xilinx Virtex系列中的部分器件，可提
8、供八百万系统门（相对逻辑密度）。 这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBM Power PC）、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。 FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。 与此相比，CPLD提供的逻辑资源少得多 - 最高约1万门。 但是，CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。 而且如Xilinx CoolRunner系列CPLD器件需要的功耗极低，并且价格低廉，从而使其对于成本敏感的、电池供电的便携式应用（如移动电话和数字手持助
9、理）非常理想。 FPGA基于SRAM的架构，集成度高，以LE（包括查找表、触发器及其他）为基本单元，有内嵌Memory、DSP等。具有易挥发性，需要有上电加载过程。在实现复杂算法、队列调度、数据处理、高性能设计、大容量缓存设计等领域中有广泛应用，如Altera Stratix系列。 CPLD基于EEPROM工艺，集成度低，以MicroCell（包括组合部分与寄存器）为基本单元。具有非挥发特性，可以重复写入。在粘合逻辑、地址译码、简单控制、FPGA加载等设计中有广泛应用，如Altera MAX3000A系列。 详细比较:尽管FPGA和CPLD有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异，
10、具有各自的特点： CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FP GA更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FP GA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。 FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的
11、编程采用EPROM或FASTFLASH技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。 CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。 在编程方式上,CPLD主要是基于EPROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可
12、以编程任意次，可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。 CPLD保密性好，FPGA保密性差。 一般情况下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明显。2、VHDL语言的特点（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，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。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。 （2）VHDL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行性，随时可对设计进行仿真模拟。 （3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的
13、再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效， 高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。（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，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。2.2可编程逻辑器件的分类和发展历程可编程逻辑器件的分类很多，几乎每个大的可编程逻辑器件供应商都能提供具有自身结构特点的PLD器件。由于历史的原因，可编程器件的命名各异，在介绍可编程逻辑器件之前，有必要介绍几种PLD的分类方法。较常见的是按集成度来分区
14、分不同的PLD器件，一般可分为两大类器件：一类是芯片集成度较低的。另一类芯片集成度较高的。前面已经提到，常用的可编程逻辑器件都是从“与或阵列”和“门阵列”两类基本结构发展起来的，所以可编程器件从结构上分为两大类器件：查找表结构器件。构成可编程门，再构成阵列形式。FPGA是属于此类器件。乘积项结构器件。其基本结构为“与或阵列”的器件，大部分 简单PLD和CPLD都属于这个范畴。第三种分类方法是从编程工艺上划分：熔丝（Fuse）型器件。早期的PROM器件就是采用熔丝结构的，编程过程就是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝达到编程目的。反熔丝型器件。是对熔丝技术的改进，在编程处通过击穿漏层使得两点之
15、间导通。与熔丝烧断获得开路正好相反。某些FPGA采用此种编程方式，如Actel公司的FPGA器件。无论是熔丝还是反熔丝结构，都只能编程一次，因而又合称为OTP器件，即一次性可编程(One Time Programmable)器件。EPROM型。称为紫外线擦除点可编程逻辑器件。是用较高的编程电压进行编程，当需要再次编程时，用紫外线进行擦除。与熔丝、反熔丝型不同，可多次编程。有时为降低生产成本，在制造EPROM型器件时不加用于紫外线擦除的石英窗口，于是就不能用紫外线擦除，而只能编程一次，也被称为OTP器件。很早以前人们就曾设想设计一种逻辑可再编程的器件，不过由于受到当时集成电路工艺技术的限制，一直未能如愿。直到20世纪后期，集成技术有了飞速的发展，可编程逻辑器件才得以实现。历史上，可编程逻辑器件经历了从PROM(Programmable Read Only Memory ),PLA(Programmable Logic Array),PAL(Programmable Array Logic )可重复编程GAL（Generic Array Logic）到采用大规模集成技术的EPLD到CPLD和FPGA的发展过程。在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性
