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1 第 4 讲 EDA 技术的应用 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 1

2 EDA 技术的应用 本章概要 : 本章通过用硬件描述语言 Verilog 实现的设计实例, 进一步介绍 EDA 技术在组合逻辑 时序逻辑电路设计以及在测量仪器 通信系统和自动控制等技术领域的综合应用 本章列出的全部 HDL 源程序均通过 Quartus II 工具软件的编译 知识要点 : (1)Verilog 的组合逻辑 时序逻辑以及综合应用实例 (2)Verilog 实现系统设计的实例 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 2

3 7.1 组合逻辑电路设计应用 物理与电子信息学院 组合逻辑是一种在任何时刻的输出仅决定于当时输入信号的逻辑 常用组合逻辑电路包括运算电路 编码器 译码器 数据选择器 数据比较器和奇偶校验器等 位乘法器的设计 8 位乘法器的元件符号如图 7.1 所示,a[7..0] 和 b[7..0] 是被乘数和乘数输入端,q[15..0] 是乘积输出端 8 位乘法器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 3

4 用 Verilog HDL 描述的 8 位乘法器源程序如下 : module mul8v (a,b,q); input[7:0] a,b; output[15:0] q; assign q = a * b; endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 4

5 8 位乘法器设计电路仿真波形 a[7..0] 和 b[7..0] 是被乘数和乘数输入端,q[15..0] 是乘积输出端 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 5

6 7.1.2 十六进制编码键盘设计 十六进制编码键盘的结构如图 7.3 所示, 它是一个 4 4 矩阵结构, 用 x3~x0 和 y3~y0 等 8 条信号线接收 16 个按键的信息, 相应的编码器元件符号如图 7.4 所示 y0 y1 y2 y3 x x x2 8 9 A B x3 C D E F 图 7.3 图 7.4 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 6

7 Verilog HDL 描述如下 : module hcoder(x,y,s); input[3:0] x,y; output[3:0] s; reg[3:0] s; always begin case ({x,y}) 8'b : 8'b : 8'b : 8'b : 8'b : s=0; s=1; s=2; s=3; s=4; 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 7

8 end endmodule 8'b : s=5; 8'b : s=6; 8'b : s=7; 8'b : s=8; 8'b : s=9; 8'b : s=10; 8'b : s=11; 8'b : s=12; 8'b : s=13; 8'b : s=14; 8'b : s=15; default : s=0; endcase 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 8

9 十六进制编码键盘电路仿真波形 用 x3~x0 和 y3~y0 等 8 条信号线接收 16 个按键的信息 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 9

10 7.1.3 译码器设计 3 线 -8 线译码器的元件符号如图 7.6 所示,ENA 是译码器的使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 译码器不能工作,8 线输出 Y[7..0]= ( 译码器的输出有效电平为低电平 ); 当 ENA=0 时, 译码器工作 C B A 是 3 线数据输入端, 译码器处于工作状态时, 当 CBA=000 时,Y[7..0]= ( 即 Y[0]=0); 当 CBA=001 时,Y[7..0]= ( 即 Y[1]=0); 依此类推 3 线 -8 线译码器的元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 10

11 用 Verilog HDL 描述的 3 线 -8 线译码器源程序如下 : module decoder(a,b,c,ena,y); input a,b,c,ena; output[7:0] y; reg[7:0] y; always begin if (ena==1) y = 'b ; else case ({c,b,a}) 'b000: y= 'b ; 'b001: y= 'b ; 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 11

12 end endmodule 'b010: y= 'b ; 'b011: y= 'b ; 'b100: y= 'b ; 'b101: y= 'b ; 'b110: y= 'b ; 'b111: y= 'b ; default : y= 'b ; endcase 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 12

13 ENA 是译码器的使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 译码器不能工作,8 线输出 Y[7..0]= ( 译码器的输出有效电平为低电平 ); 当 ENA=0 时, 译码器工作 C B A 是 3 线数据输入端, 译码器处于工作状态时, 当 CBA=000 时, Y[7..0]= ( 即 Y[0]=0); 当 CBA=001 时, Y[7..0]= ( 即 Y[1]=0); 依此类推 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 13

14 选 1 数据选择器设计 16 选 1 数据选择器的元件符号如图 7.8 所示,ENA 是使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 电路不能工作, 输出 Y=0 ; ENA=0 时, 电路处于工作状态 A[15..0] 是数据输入端,S3 S2,S1 和 S0 是数据选择控制端, 当电路处于工作状态时 (ENA=0), 若 S3S2S1S0=0000, 则输入 A[0] 被选中, 输出 Y=A[0] ; 若 S3S2S1S0=0001, 则输入 A[1] 被选中, 输出 Y=A[1]; 依此类推 16 选 1 数据选择器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 14

15 用 Verilog HDL 描述 16 选 1 数据选择器的源程序如下 : module mux16_1(a,s3,s2,s1,s0,ena,y); input s3,s2,s1,s0,ena; input[15:0] a; output y; reg y; always begin if (ena==1) y = 0; else case ({s3,s2,s1,s0}) 'b0000: y= a[0]; 'b0001: y= a[1]; 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 15

16 'b0010: y= a[2]; 'b0100: y= a[4]; 'b0110: y= a[6]; 'b1000: y= a[8]; 'b1010: y= a[10]; 'b1100: y= a[12]; 'b1110: y= a[14]; default : y= 0; endcase end endmodule 'b0011: y= a[3]; 'b0101: y= a[5]; 'b0111: y= a[7]; 'b1001: y= a[9]; 'b1011: y= a[11]; 'b1101: y= a[13]; 'b1111: y= a[15]; 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 16

17 ENA 是使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 电路不能工作, 输出 Y=0;ENA=0 时, 电路处于工作状态 A[15..0] 是数据输入端, S3 S2,S1 和 S0 是数据选择控制端, 当电路处于工作状态时 (ENA=0), 若 S3S2S1S0=0000, 则输入 A[0] 被选中, 输出 Y=A[0]; 若 S3S2S1S0=0001, 则输入 A[1] 被选中, 输出 Y=A[1]; 依此类推 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 17

18 位二进制数据比较器设计 8 位二进制数据比较器电路的元件符号如图 7.8 所示, A[7..0] 和 B[7..0] 是两个数据输入端,FA 是 大于 输出端, FB 是 小于 输出端,FE 是 等于 输出端 当 A[7..0] 大于 B[7..0] 时,FA=1; 当 A[7..0] 小于 B[7..0] 时,FB=1; 当 A[7..0] 等于 B[7..0] 时,FE=1 8 位数据比较器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 18

19 用 Verilog HDL 描述 8 位二进制数据比较器的源程序如下 : module comp8v(a,b,fa,fb,fe); input[7:0] a,b; output fa,fb,fe; reg[7:0] fa,fb,fe; always begin if (a > b) begin fa = 1; fb = 0; fe = 0; end else if (a < b) begin fa = 0; fb = 1; fe = 0; end else if (a == b) begin fa = 0; fb = 0; fe = 1; end end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 19

20 A[7..0] 和 B[7..0] 是两个数据输入端,FA 是 大于 输出端, FB 是 小于 输出端,FE 是 等于 输出端 当 A[7..0] 大于 B[7..0] 时,FA=1; 当 A[7..0] 小于 B[7..0] 时,FB=1; 当 A[7..0] 等于 B[7..0] 时,FE=1 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 20

21 7.1.6 ROM 的设计 用 Veilog HDL 实现 8 8 位 ROM 的源程序如下 : module from_rom(addr,ena,q); input [2:0] input addr; output [7:0] q; reg [7:0] q; or addr) begin if (ena) case (addr) ena; q = 'bzzzzzzzz;else 0: q = 'b ; 物理与电子信息学院 1: q = 'b ; 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 21

22 2: q = 'b ; 3: q = 'b ; 4: q = 'b ; 5: q = 'b ; 6: q = 'b ; 7: q = 'b ; default : q = 'bzzzzzzzz; endcase end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 22

23 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 23

24 7.2 时序逻辑电路设计应用时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路组成, 存储电路由触发器构成 时序逻辑的特点是任一时刻的输出信号不仅取决于当时的输入信号, 而且还取决于电路的原来状态 时序逻辑电路的重要标志是具有时钟脉冲 clock, 在时钟脉冲的上升沿或下降沿的控制下, 时序逻辑电路状态才能发生变化 JK 触发器设计 JK 触发器的元件符号如图 7.14 所示, 其中 J K 是数据输入端, CLR 是复位控制输入端, 当 CLR=0 时, 触发器的状态被置为 0 态 ;CLK 是时钟输入端 ;Q 和 QN 是触发器的两个互补输出端 JK 触发器的元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 24

25 用 Verilog HDL 描述的 JK 触发器源程序如下 : module myjkff(j,k,clr,clk,q,qn); input j,k,clr,clk; output q,qn; reg q,qn; clr or negedge clk) begin if (~clr) begin q = 0; qn = 1; end else case ({j,k}) 'b00: begin q = q; qn = qn; end 'b01: begin q = 0; qn = 1; end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 25

26 'b10: begin q = 1; qn = 0; end 'b11:beginq=~q;qn=~qn;end default begin q = 0; qn = 1;end endcase end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 26

27 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 27

28 D 锁存器设计 具有三态输出的 8D 锁存器元件符号如图所示 CLR 是复位控制输入端, 当 CLR=0 时,8 位数据输出 Q[7..0]= ENA 是使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 锁存器处于工作状态, 输出 Q[7..0]=D[7..0];ENA=0 时, 锁存器的状态保持不变 OE 是三态输出控制端, 当 OE=1 时, 输出为高阻态 ;OE=0 时, 锁存器为正常输出状态 8D 锁存器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 28

29 用 Verilog HDL 描述三态输出 8D 锁存器的源程序如下 : module latch8v(clk,clr,ena,oe,q,d); input [7:0] d; input clk,clr,ena,oe; output [7:0] q; reg [7:0] q,q_temp; clk) begin if (~clr) q_temp = 0; else if (ena) q_temp = d; else q_temp = q; if (oe) q = 8'bzzzzzzzz; else q = q_temp; end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 29

30 CLR 是复位控制输入端, 当 CLR=0 时,8 位数据输出 Q[7..0]= ENA 是使能控制输入端, 当 ENA=1 时, 锁存器处于工作状态, 输出 Q[7..0]=D[7..0];ENA=0 时, 锁存器的状态保持不变 OE 是三态输出控制端, 当 OE=1 时, 输出为高阻态 ;OE=0 时, 锁存器为正常输出状态 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 30

31 位双向移位寄存器设计 物理与电子信息学院 8 位双向移位寄存器电路的元件符号如图 7.18 所示, 其中 CLR 是复位控制输入端 ;LOD 是预置控制输入端 ;S 是移位方向控制输入端, 当 S=1 时, 是右移移位寄存器,S=0 时, 是左移移位寄存器 ;DIR 是右移串入输入信号 ;DIL 是左移串入输入信号 8 位双向移位寄存器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 31

32 用 Verilog HDL 描述 8 位双向移位寄存器的源程序如下 : module rlshift8(q,d,lod,clk,clr,s,dir,dil); input [7:0] d; input lod,clk,clr,s,dir,dil; output [7:0] q; reg [7:0] q; clk) begin if (~clr) q = 'b ; else if (lod) q = d; else if (s) begin q=q>>1; -- 实现右移操作 q[7] = dir; end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 32

33 else begin q=q<<1; q[0] = dil; end end endmodule -- 实现左移操作 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 33

34 CLR 是复位控制输入端 ;LOD 是预置控制输入端 ;S 是移位方向控制输入端, 当 S=1 时, 是右移移位寄存器,S=0 时, 是左移移位寄存器 ;DIR 是右移串入输入信号 ;DIL 是左移串入输入信号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 34

35 位二进制加减计数器设计 8 位二进制加减计数器的元件符号如图 7.20 所示,CLR 是复位控制输入端 ;ENA 是使能控制输入端 ;LOAD 是预置控制输入端 ;D[7..0] 是 8 位并行数据输入端 ;UPDOWN 是加减控制输入端, 当 UPDOWN=0 时, 计数器作加法操作,UPDOWN=1 时, 计数器作减法操作 ;COUT 是进 / 借位输出端 8 位二进制加减计数器元件符号 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 35

36 用 Verilog HDL 描述 8 位二进制加减计数器的源程序如下 : module pdowncnt8(q,cout,d,load,ena,clk,clr,updown); input [7:0] d; input load,ena,clk,clr,updown; output [7:0] q; output cout; reg [7:0] q; clk or negedge clr) begin if (~clr) q = 'b ; else if (load) q = d; 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 36

37 else if (ena) begin if (~updown) begin q = q+1; if (q==255) cout=1; else cout=0;end else begin q = q-1; if(q==0) cout =1; else cout=0;end end end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 37

38 CLR 是复位控制输入端 ;ENA 是使能控制输入端 ;LOAD 是预置控制输入端 ;D[7..0] 是 8 位并行数据输入端 ;UPDOWN 是加减控制输入端, 当 UPDOWN=0 时, 计数器作加法操作, UPDOWN=1 时, 计数器作减法操作 ;COUT 是进 / 借位输出端 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 38

39 7.2.5 随机读写存储器 RAM 的设计在数字系统中, 按照结构特点分类, 随机读写存储器 RAM 属于时序逻辑电路 在使用时,RAM 中的数据能读出也能写入, 但掉电后数据会丢失 基于 Verilog HDL 的 RAM 的设计在 Verilog HDL 中, 若干个相同宽度的向量构成数组, 其中 reg 型数组变量即为 memory( 存储器 ) 型变量 Memory 型变量定义语句如下 : reg[7:0] mymemory[1023:0] 语句定义了一个 1024 个字的存储器变量 mymemory, 每个字的字长为 8 位 经定义后的 memory 型变量可以用下面的语句对存储器单元赋值 ( 即写入 ): mymemory[7]=75; // 存储器 mymemory 的第 7 个字被赋值 75. 存储器单元中的数据也可以读出, 因此 memory 型变量相当于一个 RAM 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 39

40 基于 Verilog HDL 的 16x8RAM 设计的源程序 myram.v 如下 : module myram(addr,csn,wrn,data,q) input[3:0] addr; input csn,wrn; input[7:0] data; output[7:0] q; reg[7:0] q; reg[7:0] mymemory[15:0]; begin if(csn) q='bzzzzzzzz; else if wrn=0) mymemory[addr]= data; else if(wrn=1) q=mymemory[addr]; end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 40

41 在源程序中,addr 是 4 位地址线, 可以实现 16 个存储单元 ( 字 ) 的寻址 ;csn 是使能控制输入端, 低电平有效, 当 csn=0 时, 存储器处于工作状态 ( 可以读或写 ), 当 csn=1 时, 存储器处于禁止状态, 输出为高阻态 (z); wrn 是写控制输入端, 低电平有效, 当 wrn=0(csn = 0) 时, 存储器处于写操作工作状态, 当 wrn=1(csn=0) 时, 存储器处于读操作工作状态 ; data 是 8 位数据输入端, 在存储器处于写操作下作状态时, 根据地址线提供的地址把其数据写入相应的存储单元 ;q 是 8 位数据输出端, 当存储器处于读操作工作状态时, 根据地址线提供的地址把相应存储单元的数据送出输出端 q 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 41

42 在源程序中, 如果把定义地址宽度的语句 input[3:0] addr; 更改为 input[7:0] addr; ( 即定义地址为 8 位 ); 把定义存储器容量的语句 reg[7 : 0] mymemory[15:0]; 更改为 reg[7 : 0] mymemory[1023:0];, 则是一个 1024*8 位的 RAM 电路设计的源程序 (16X8 位电路的仿真波形见图 7.21) 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 42

43 7.3 基于 EDA 的数字系统设计 基于 EDA 技术的数字系统的设计, 一般可以在单片 PLD 实现, 具有功能强 功耗低 体积小 可靠性高等特点, 成为当今数字系统设计的主流 本节将通过计时器 万年历 数字频率计等一些通俗易懂的数字系统为例, 介绍基于 EDA 技术的数字系统设计 计时器的设计 24 小时计时器的原理图如图 7.22 所示, 它由两片六十进制计数器和一片二十四进制计数器构成, 输入 CLK 为 1Hz( 秒 ) 的时钟, 经过 60 分频后产生 1 分钟时钟信号, 再经过 60 分频后产生 1 小时的时钟信号, 最后进行 24 分频, 得到 1 天的脉冲送 COUT 输出 将两个 60 分频和一个 24 分频的输出送七段数码管, 得到 24 小时的计时显示结果 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 43

44 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 44

45 图 7.22 中的 CLK 是 1Hz( 秒 ) 时钟输入端 ;RST 是复位输入端, 高电平有效 ;JM JF 和 JS 分别是校秒 校分和校时的输入端, 下降沿有效 ;QM[7..0] QF[7..0] 和 QS[7..0] 分别是秒 分和时的计时输出端 ;COUT 是 天 脉冲输出端 校秒 校分和校时信号分别与相关的秒 分和时等输入时钟异或, 允许从校时输入端添加脉冲, 达到校时目的 1. 基于 Verilog 的计时器设计基于 Verilog HDL 的计时器的原理图如图 7.25 所示, 图中的 clk 是秒时钟输入端,clrn 是清除输入端, 低电平有效 ;jm jf 和 js 分别是校秒 校分和校时的输入端, 下降沿有效 ; qm[7:0] qf[7..0] 和 qs[7..0] 分别是秒 分和时的输出端 ;cout 是 天 脉冲输出端 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 45

46 电路设计需要用 Verilog HDL 编写六十进制计数器和二十四进制计数器, 基于 Verilog HDL 的六十进制计数器设计的源程序 cnt60.v 如下 : 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 46

47 module cnt60(clk,clrn,j,q,cout); 物理与电子信息学院 input clk,clrn,j; output reg[7:0] q; output reg cout; clk^j or negedge clrn) begin if(~clrn) q=0; else begin if(q== h59) q=0; else q=q+1; if(q(3:0)== ha) begin q(3:0)=0;q[7:4]=q[7:4]+1;end if (q== h59) cout=1; else cout=0;end end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 47

48 在源程序中,j 是校时输入端, 它与时钟输入端 clk 异或就可以达到校时的作用, 所以在计时器的原理图中, 不再需要附加异或门电路 基于 Verilog HDL 的二十四进制计数器设计的源程序 cnt24.v 如下 : module cnt24(clk,clrn,j,q,cout); input clk,clrn,j; output reg[7:0] q; output reg cout; clk^j or negedge clrn) 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 48

49 begin if (~clrn) q=0; else begin if (q== h23) q=0; else q=q+1; if (q[3:0]== ha) begin q(3:0)=0; q[7:4]=q[7:4]+1; end if (q== h23) cout=1; else cout=0;end end endmodule 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 49

50 完成基于 Verilog HDL 的六十进制计数器和二十四进制计数器的设计后, 分别为它们生成元件符号然后进入原理图编辑方式, 按照图 7.25 完成 24 小时计时器的设计 当计时器设计完成后, 也可以为它生产一个元件符号, 作为万年历设计的基本元件 计时器设计生成的元件符号如图 7.26 所示 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 50

51 7.3.2 万年历的设计下面介绍基于 Verilog HDL 的万年历的设计, 原理图如图 7.27 所示, 包括计数器模块 (jsq24) 年月日模块 (nyr2009) 控制模块(contr) 校时选择模块 (mux_4) 和显示选择模块 (mux_16) 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 51

52 本设计采用 3 个公用按钮 j1 j2 和 j3 完成时 分 秒或年 月 日的校时, 用 8 只七段数码管分时完成时 分 秒或年 月 日的显示, 设计电路的计时器模块 (jsq24) 用于完成一天中的 24 小时计时 ; 年月日模块 (nyr2009) 接收计时器模块送来的 天 脉冲进行计数, 得到日 月 年的显示结果 ; 控制模块 (contr) 产生控制信号 k, 控制数码显示器显示年 月 日, 还是显示时 分 秒或者自动轮流显示 ; 校时选择模块 (mux_4) 在 k 信号的控制下, 选择将 j1 j2 和 j3 这 3 个校时按钮产生的信号是送到计时器模块的校秒 校分和校时输入端, 还是送到年月日模块的校天 校月和校年输入端 ; 显示选择模块 (mux_16) 在 k 信号的控制下选择是将计时器模块的时 分 秒状态信号, 还是将年月日模块的年 月 日状态信号送到数码显示器显示 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 52

53 万年历的计时器模块 (jsq24) 已 ( 见 节 ) 设计完成. 下面介绍基于 Verilog HDL 的年月日模块 ( nyr2009) 控制模块(contr) 校时选择模块( mux_4) 和显示选择模块 (mux 16) 的设计 1 年月日模块的设计基于 Verilog HDL 的年月日模块设计的源程序 nyr2009.v 如下 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 53

54 module nyr2009(clrn,clk,jn,jy,jr,qn,qy,qr); input clrn,clk,jn,jy,jr; output [15:0] qn; output [7:0] qy,qr; reg [15:0] qn; reg [7:0] qy,qr; reg clkn,clky; reg [7:0] date; reg clkn1,clkn2,clkn3; 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 54

55 initial begin clkn1=1;clkn2=1;clkn3=1;end// 初始化年脉冲 initial begin qn= h2000;qy=1;qr=1; end// 初始化年月日时间 // 日计数模块 (clk^jr) or negedge c1rn) begin if(~clrn) qr=1; else begin if(qr==date) qr=1; else qr=qr+1; if (qr[3:0]== ha)begin qr[3:0]=0; qr[7:4]=qr[7:4]+1;end 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 55

56 if (qr=date) clky =1; else clky=0; end end // 月计数模块 (clky^jy or negedge clrn) begin if(~clrn) qy=1; else begin if (qy== h12) qy=1; else qy=qy+1; if (qy[3:0]== ha) begin qy[3:0]=0;qy[7:4]=qy[7:4]+1;end 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 56

57 if (qy=='h12) clkn=1; else clkn=0; end end // 产生每月的天数 always begin case (qy) 'h01:date='h31; 'h02:begin if ((qn/4==0)&(qn/100!=0) (qn/400==0)) date='h29; else date='h28; end 'h03: date='h31; 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 57

58 'h04: date='h30; 'h05: date='h31; 'h06: date='h30; 'h07: date='h31; 'h08: date='h31; 'h09: date='h30; 'h10: date='h31; 'h11: date='h30; 'h12: date='h31; default:date='h30; endcase end 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 58

59 // 年计数模块 or negedge clrn) begin if(~clrn) qn[3:0]=0; else begin if (gn[3:0]==9) qn[3:0]=0; else qn[3:0]=qn[3:0]+1; if(qn[3:0]==9 clkn1=0; else clkn1=1; end end 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 59

60 clkn1 or negedge clrn) begin if(~clrn) qn[7:4]=0; else begin if (qn[7:4]==9) qn[7:4]=0; else qn[7:4]=qn[7:4]+1; if (qn[7:4]==9) clkn2=0; else clkn2=1; end end clkn2 or negedge clrn) begin if (~clrn) qn[11:8]=0; 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 60

61 else begin if(qn[11:8]==9) qn[11:8]=0; else qn[11:8]=qn[11:8]+1; if qn[7:4]==9) clkn3=0; else clkn3=1; end end clkn3 or negedge clrn) begin if(~clrn) qn[15:12]=2; else if(qn[15:12]==9) qn[15:12]=0; else qn[15:12] = qn[15:12]+1; end endmodule 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 61

62 年月日模块的元件符号如图 7.28 所示, 其中,clrn 是异步清除输入端, 低电平有效 ;clk 是时钟输入端, 上升沿有效 ;jn jy 和 jr 分别是校年 校月和校日输入端 ;qn[15..0] qy[7..0] 和 qr[7..0] 分别是年 月和日的状态输出端 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 62

63 2 控制模块的设计 contr.v module contr(clk,k1,k2,k) input cik,k1,k2; output reg k; reg [3:0] qc; reg rc; begin qc=qc+1; if(qc<8) rc=0; else rc=1; case({k1,k2}) 0: k=rc; 1: k=0; 2: k=1; 3: k=rc; endcase end endmodule 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 63

64 在控制模块中, 使用了一个 16 分频电路, 输出 rc 是周期为 16 秒的方波, 即 8 秒高电平 8 秒低电平, 用于万年历的自动倒换的显示模式 控制模块的元件符号如图 7.29 所示, 其中, clk 是 1 秒时钟输入端 ;k1 和 k2 是控制输入端, 当 k1k2=00 或 11 时是自动显示模式, 控制数码显示器用 8 秒钟时间显示年 月 日, 另外 8 秒钟时间显示时 分 秒 ; 当 k1k2=01 时, 仅控制显示时 分 秒, 同时用 j1 j2 和 j3 校秒 校分和校时 ; 当 k1k2=10 时, 仅显示年 月 日, 同时用 j1 j2 和 j3 校日 校月和校年 ;k 是控制输出端 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 64

65 3 校时选择模块的设计 mux_4.v module mux_4(k,jm,jf,js,jr,jy,jn,j1,j2,j3) input k,jl,j2,j3; output reg jm,jf,js,jr,jy,jn; always begin if(k==0){jm,jf,js}={j1,j2,j3}; else {jr,jy,jn}={j1,j2,j3}; end endmodule 校时选择模块的元件符号如图所示, 其中 k 是控制输入端, 当 k=0 时, 控制将校时按钮 j1 j2 和 j3 的信号分别送到计时器模块的 jm( 校秒 ) jf( 校分 ) 和 js( 校时 ); 当 k=1 时, 将时按钮 j1 j2 和 j3 的信号分别送到年月日模块的 jr( 校日 ) jy( 校月 ) 和 jn( 校年 ) 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 65

66 4 显示选择模块的设计 mux_16.v module mux_16(k,qm,qf,qs,qr,qy,qn,q); input k; input[7:0] qm,qf,qs, qr, qy; input[15:0] qn; output reg[31:0] q; always begin if (k==0)begin q[31: 24]=0; q[23:0] ={qs,qf,qm}; end else q={qn,qy,qr}; end endmodule 物理与电子信息学院 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 66

67 显示选择模块的元件符号如图 7.31 所示, 其中 k 是控制输入端, 当 k=0 时, 控制将计时器模块送来的 qm[7..0]( 秒 ) qf[7..0] 和 qs[7..0] 状态信号送到数码显示器显示 ; 当 k=1 时, 将年月日模块送来的 qr[7..0]( 日 ) qy[7..0]( 月 ) 和 qn[15..0]( 年 ) 状态信号送到数码显示器显示 完成计时器模块 年月日模块 控制模块 校时选择模块和显示选择模块的设计后, 采用原理图编辑方式, 参照图 7.27 所示的电路, 完成万年历的设计 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 67

68 位十进制频率计设计 1 设计原理 8 位十进制频率计设计原理如图 7.32 所示, 由 8 位十进制加法计数器 CNT10X8 8 位十进制锁存器 REG4X8 和 1 片测频控制信号发生器 TESTCTL 组成 根据频率的定义和频率测量的基本原理, 测定信号的频率必须有一个脉宽为 1 秒的对输入信号脉冲计数允许的信号 ;1 秒计数结束后, 计数值锁入锁存器的锁存信号和为下一测频计数周期做准备的计数器清零信号 这 3 个信号由测频控制信号发生器 TESTCTL 产生, 它的设计要求是 :TESTCTL 的计数使能信号输出 CNT_EN 能产生一个 1 秒脉宽的周期信号, 并对频率计的每一计数器 CNT10 的 ENA 使能端进行同步控制 当 CNT_EN 为高电平时, 允许计数 ; 低电平时停止计数, 并保持其所计的脉冲数 在停止计数期间, 首先需要一个锁存信号 LOAD 的上升沿将计数器在前 1 秒钟的计数值锁存进各锁存器 REG4B 中, 并由外部的七段译码器译出显示计数值 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 68

69 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 69

70 设置锁存器的好处是显示的数据稳定, 不会由于周期性的清零信号而不断闪烁 信号锁存之后, 还必须用清零信号 RST_CNT 对计数器进行清零, 为下 1 秒钟的计数操作做准备 其工作时序波形如图 7.33 所示 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 70

71 2 设计步骤 (1) 编写 HDL 源程序基于 Verilog HDL 的测频控制器设计的源程序 testctl.v 如下 : module testctl (clkk,cnt_en,rst_cnt,load); input clkk; output cnt_en,rst_cnt,load; reg rst_cnt; reg div2clk; begin div2clk=~div2clk; end or div2clk) begin if((clkk== b0)&(div2clk=='b0)) rst_cnt='b1; else rst_cnt='b0; end assign load=~div2clk; assign cnt_en = div2clk; endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 71

72 基于 Verilog HDl 的 8 位十进制加法计数器设计的源程序 cnt10x8v.v 如下 : module cnt10x8v(clk, rst,ena,q0,ql,q2,q3,q4,q5,q6,q7,cout) input clk,rst,ena; output reg[3:0] q0, q1,a2,q3,q4,q5,q6,q7; output reg cout reg enl,en2,en3,en4,en5,en6,en7; clk or posedge rst) begin if(rst) q0=0; else if (ena) begin if(q0==9) q0=0; else q0=q0+1; if(q0==9) en1=1; else en1=0; end end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 72

73 clk or posedge rst) begin if(rst) q1=0; else if (en1) begin if (q1==9) q1=0; else q1=q1+1; if (q1==9) en2=1; else en2=0; end end clk or posedge rst) begin if(rst) q2=0; else if (en2&en1) begin if (q2==9) q2=0; else q2=q2+1; if (q2==9) en3=1; else en3=0;end end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 73

74 clk or posedge rst) begin if (rst) q3=0; else if (en3&en2&en1) begin if (q3==9) q3=0; else q3=q3+1; if (q3==9) en4=1; else en4=0; end end clk or posedge rst) begin if(rst) q4=0; else if (en4&en3&en2&en1) begin if (q4==9) q4=0; else q4=q4+1; if (q4==9) en5=1; else en5=0;end end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 74

75 clk or posedge rst) begin if (rst) q5=0; else if (en5&en4&en3&en2&en1) begin if (q5==9) q5=0; else q5=q5+1; if (q5==9) en6=1; else en6=0; end end clk or posedge rst) begin if(rst) q6=0; else if (en6&en5&en4&en3&en2&en1) begin if (q6==9) q6=0; else q6=q6+1; if (q6==9) en7=1; else en7=0;end end 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 75

76 clk or posedge rst) begin if(rst) q7=0; else if (en7&en6&en5&en4&en3&en2&en1) begin if (q7==9) q7=0; else q7=q7+1; if (q7==9) cout=1; else cout=0;end end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 76

77 基于 Verilog HDL 的 8 位十进制锁存器设计得到源程序 reg4x8v.v 如下 : module reg4x8(load,d0,dl,d2,d3,d4,d5,d6,a7,q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7); input [3:0] d0, d1, d2, d3,d4,d5,d6,d7; input load; output reg[3:0] q0, q1, q2, q3,q4,q5,q6,q7; begin {q0, q1, q2 q3, q4, q5, q6,q7}={d0, d1, d2,d3,d4,d5,d6,d7}; end endmodule 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 77

78 2 用图形编辑方法实现 8 位频率计的设计完成测频控制器 TESTCTL 8 位十进制加法计数器 CNT10X8 和 8 位十进制寄存器 REG4X8 的源程序设计后, 分别为它们生成一个元件符号, 然后新建一个工程, 按照图 7.32 所示的电路, 完成 8 位频率计的原理图设计 8 位频率计的仿真波形如图 7.34 所示, 在第 1 个 CLK_1HZ 周期内测出的频率为 42Hz, 在第 2 个周期内测出的频率为 74Hz. 仿真结果验证了设计的正确性 卓越工程师 EDA 技术及应用 Tu Qiu 78

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