自动售货机课程设计.doc

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唐山学院
《EDA技术》课程设计
题目自动售货机控制器设计
系(部)
班级
姓名
学号
指导教师
年月日至月日共周
年月日
四、进程安排
第一周:周1-周5查阅资料并编写程序,
第二周:周1-周4上机调试程序并撰写课程设计说明书
第二周:周5下午课程设计答辩并交设计说明书
五、主要参考资料
[1]..《VHDL数字电路设计教程》.电子工业出版社,
[2].潘松,黄继业.《EDA技术实用教程》(第二版).科学出版社,
[3].焦素敏.《EDA应用技术》.清华大学出版社,
指导教师(签名):
教研室主任(签名):
课程设计成绩评定表
出勤
情况
出勤天数
缺勤天数
成
绩
评
定
出勤情况及设计过程表现(20分)
课设答辩(20分)
设计成果(60分)
总成绩(100分)
提问
(答辩)
问题
情况
综
合
评
定
指导教师签名:
年月日
目录
1引言 1
2VHDL介绍 2
2
3
3QuartusII介绍 5
5
5
5
6
6
4自动售货机控制器设计与仿真 8
8
8
9
9
5引脚设定及下载分析 19
19
20
20
6设计总结 21
参考文献 23
附录 24
课程设计说明书
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1引言
VHDL的英文全名是VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptiongLanguage,翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言,诞生于1982年。1987年底,VHDL被美国国防部确认为标准硬件描述语言。
自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本。
现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为,在新的世纪中,VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。目前,它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位,它也被用来设计ASIC。
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随着EDA技术的高速发展,电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化,大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的出现,给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发,不仅成本低、周期短、可靠性高,而且具有完全的知识产权。利用VHDL语言设计自动售货机,使其实现自动售货,找零钱等功能,突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易读性等优点。此程序通过下载到特定芯片后,可应用于实际的自动售货机系统中。
本文基于FPGA开发系统,,完成了自动售货机控制器的设计和与仿真,并下载到试验箱进行硬件实现。首先,,采用VHDL硬件描述语言描述自动售货机控制器,完成对电路的功能仿真;在设计过程中,重点探讨了自动售货机控制器的设计思路和功能模块划分;然后,初步探讨了电路逻辑综合的原理,该软件对自动售货机控制器电路进行了逻辑综合;最后,使用EDA实验开发系统进行电路的下载和验证,验证结果表明设计的自动售货机控制器完成了预期的功能。
2VHDL介绍

VHDL是一种硬件描述语言,它可以对电子电路和系统的行为进行描述。硬件描述语言(VHDL)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言,它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式,与传统的门级描述方式相比,它更适合大规模系统的设计。VHDL语言可读性强,易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言,如ABEL、HDL、AHDL,由不同的EDA厂商开发,互不兼容,而且不支持多层次设计,层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足,1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL,1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEE-STD-1076)。
传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法,即根据系统对硬件的要求,详细编制技术规格书,并画出系统控制流图;然后根据技术规格书和系统控制流图,对系统的功能进行细化,合理地划分功能模块,并画出系统的功
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能框图;接着就进行各功能模块的细化和电路设计;各功能模块电路设计、调试完成后,将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试,最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统,特别是当电路系统非常庞大时,设计者必须具备较好的设计经验,而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率,增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期,各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage,简称HDL)。但这些硬件描述语言差异很大,各自只能在自己的特定设计环境中使用,这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此,开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是,美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL,称之为VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptionLanguage,简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想,然后利用电子设计自动化工具进行仿真,再自动综合到门电路,最后用PLD实现其功能。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门多个设计层次,支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述,因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件语言的功能,整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点:
(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心,将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试,而花较少的精力于物理实现。
(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计,灵活且方便,而且也便于设计结果的交流、保存和重用。
(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。
(4)VHDL是一个标准语言,为众多的EDA厂商支持,因此移植性好。
关于VHDL语言,最后需要说明的是:与常规的顺序执行的计算机程序不同,VHDL从根本上讲是并发执行的。因此,,我们通常称之为代码,而不是程序。在VHDL中,只有在进程(PROCESS)、函数(FUNCTION)和过程(PROCEDURE)内部的语句才是顺序执行的。

具有良好的可读性,即容易被计算机接受,也容易被读者理解。使用期长,不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关,当工艺改变时,只需修改相应程序中的属性参数即可。
当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时,与传统的电路设计方法相比较,具有如下的特点:
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第一层次是行为描述。所谓行为描述,实质上就是对整个系统的数学模型的描述。一般来说,对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段,通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段,并不真正考虑其实际的操作和算法用何种方法来实现,而是考虑系统的结构及其工作的过程是否能到达系统设计的要求。
第二层次是RTL方式描述。这一层次称为寄存器传输描述(又称数据流描述)。如前所述,用行为方式描述的系统结构的程序,其抽象程度高,是很难直接映射到具体逻辑元件结构的。要想得到硬件的具体实现,必须将行为方式描述的VHDL语言程序改写为RTL方式描述的VHDL语言程序。也就是说,系统采用RTL方式描述,才能导出系统的逻辑表达式,才能进行逻辑综合。
第三层次是逻辑综合。即利用逻辑综合工具,将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网络表)。此时,如果需要,可将逻辑综合的结果以逻辑原理图的方式输出。此后可对综合的结果在门电路级上进行仿真,并检查其时序关系。
由自上而下的设计过程可知,从总体行为设计开始到最终的逻辑综合,每一步都要进行仿真检查,这样有利于尽早发现设计中存在的问题,从而可以大大缩短系统的设计周期。
由于目前众多制造PLD芯片的厂家,其工具软件均支持VHDL语言的编程。所以利用VHDL语言设计数字系统时,可以根据硬件电路的设计需要,自行利用PLD设计自用的ASIC芯片,而无需受通用元器件的限制。
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