【正文】 綜合產(chǎn)生的邏輯器件主要是多路選擇器和比較器，邏輯簡(jiǎn)單，但算數(shù)運(yùn)算消耗了大量器件資源。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)參看附錄圖 RTL圖。 圖 QuartusII 編譯綜合報(bào)告 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 第 36頁(yè) 器件資源分析 在設(shè)計(jì)階段，對(duì)系統(tǒng)描述采用過多種方式，嘗試了多種描述，代碼的長(zhǎng)度在增加，模塊在增多，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性也在增強(qiáng)，層次結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)也更加完善。事實(shí)上例如增加游戲模式，在反彈球和受控運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)繼續(xù)增加圖形和顯示控制的復(fù)雜性，都是很容易實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的仿真波形波形冗長(zhǎng)，給截圖帶來(lái)不便，無(wú)法在本報(bào)告列出有信息量的波形圖。 圖 狀態(tài) S0 仿真圖（兩條幅切換時(shí)的情形） 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn) 圖 (a) 頂層狀態(tài)機(jī)仿真波形圖 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)初步的原因分析，主要是頂層狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移是“異步”的轉(zhuǎn)移，是根據(jù) SW1 和 SW0 兩個(gè)按鍵的四種狀態(tài)直接決定當(dāng)前狀態(tài)的。如圖 PixelCNT模塊的列像素計(jì)數(shù)和行像素計(jì)數(shù)器的仿真波形。報(bào)告 第 31頁(yè) 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證 系統(tǒng)仿真分為兩個(gè)步驟進(jìn)行，首先是關(guān)鍵模塊的仿真，驗(yàn)證子系統(tǒng)功能的正確性，然后是綜合仿真，驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的功能。 when us1 = vmov = vmovus1。 end case。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)如此加減循環(huán)，hmovus1將一直在大于 610的附近浮動(dòng)，方塊也就不再運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為卡死在邊界上。報(bào)告 第 28頁(yè) end if。) then if(hmovus1 30) then hmovus1 = 0000101000。 end if。 end if。 end if。s regular movement: x first, then y if (rising_edge(clk100hz)) then if (userstate = us0) then if(hmov 640) then hmovus0 = hmovus0 + 1。 end if。 end process。 end if。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述如下。 end if。 process(clk50m) Time division process: 25mhz begin if (rising_edge(clk50m)) then clk25m = not clk25m。)。)。報(bào)告 第 23頁(yè) PixelCNT模塊的描述 該模塊輸出行列像素的位置信號(hào)。 process(clk25m) state s2 process: 64 pure colors begin if(rising_edge(clk25m)) then colors2 = sw。 elsif hpos 640 and vpos 360 then colors0 = 010010。報(bào)告 第 22頁(yè) 橫向和縱向彩條顯示，只需分別判斷縱向和橫向像素位置即可。139。 最后是消隱信號(hào)的產(chǎn)生。列同步區(qū)在 490～ 492像素點(diǎn)之間。039。 VGA掃描顯示的原理關(guān)鍵點(diǎn)在于同步信號(hào)和消隱信號(hào)的產(chǎn)生。 when s2 = colorstmp = colors2。 when 10 = state = s2。由于代碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)，只給出部分代碼，完整的代碼請(qǐng)參見 。 vgaemode_port_map: vgasmode port map(clk25m = clk25m, clk1hz = clk1hz, hen = hen ,ven = ven, colors0 = colors0,colors1 = colors1, colors2 = colors2,colors3 = colors3, colors = colors,sw = sw(1 downto 0))。 然后在 VGAController 中進(jìn)行例化， VHDL描述如下（僅給出關(guān)鍵部分的描述）。 colors0,colors1,colors2,colors3: out std_logic_vector(5 downto 0))。 ht,vt: in std_logic_vector(9 downto 0)。 end ponent。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn) VHDL 代碼編譯綜合后下載到實(shí)驗(yàn)板上，工作正常，只是 UserMode 模塊的反彈球模式開始時(shí)出現(xiàn)了無(wú)法反彈的問題，系統(tǒng)的其他功能完整。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)抓住這一核心點(diǎn)，可以使得設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，否則要反映反彈運(yùn)動(dòng)完整過程需要定義多種狀態(tài)，初步估計(jì) 16 種狀態(tài)可以完整描述。定義一個(gè)二維位置坐標(biāo)變量（ hmov， vmov）為方塊中心，畫圖時(shí)以（ hpos， vpos）、（ hmov， vmov）聯(lián)立不等式可確定屏幕內(nèi)一塊區(qū)域的坐標(biāo)點(diǎn)，在這一區(qū)域輸出某種顏色值，其余 區(qū)域輸出黑色即可顯示一個(gè)靜態(tài)的色塊。因而是容易實(shí)現(xiàn)的。具體編碼參見 。表現(xiàn)為定義頂層實(shí) 體和原件的例化以及信號(hào)的傳遞。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)子模式的狀態(tài)分別定義 US0、 US US2。 輸出： VGA掃描同步信號(hào)和消隱信號(hào)。 輸出： 25MHz、 100Hz、 1Hz時(shí)鐘信號(hào)。 B. 中層模塊： 具體實(shí)現(xiàn)頂層模塊的描述，包括的功能主要是產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，狀態(tài)機(jī)的定義和狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生像素位置信號(hào)，并根據(jù)不同的狀態(tài)和像素位置產(chǎn)生 RGB 顏色信號(hào)。 系統(tǒng)劃分為三層，自頂向下分別是頂層模塊、控制器子模塊、用戶模式底層模塊。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn)頂層用于描述整個(gè)系統(tǒng)的功能和運(yùn)行；第二層承接頂層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)獨(dú)立而完整的功能部分；第三層為第二層的子模塊，用于擴(kuò)展第二層的功能，具體負(fù)責(zé)用戶模式的實(shí)現(xiàn)。 1. 顯示模式為 64048060Hz 模式； 2. 用撥碼開關(guān)控制 R、 G、 B（每個(gè) 2 位），使顯示器可以顯示 64 種純色； 3. 在顯示器上顯示橫向彩條信號(hào)（至少 6 種顏色）； 4. 在顯示器上顯示縱向彩條信號(hào)（至少 8 種顏色）； 5. 在顯示器上顯示自行設(shè)定的圖形、圖像等。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于 VHDL描述的 VGA顯示控制器，通過 FPGA控制 CRT顯示器顯示色彩和圖形。最終下載到實(shí)驗(yàn)板上測(cè)試通過。由此，容易得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，有關(guān) 系統(tǒng)功能分析和輸入輸出約束，詳述于 。詳述與 。顏色信息的產(chǎn)生、顯示器掃描同步信號(hào)等由 VGA 控制器產(chǎn)生，其輸出為 CRT 顯示器。 A. 頂層模塊： VGAController VGAMode Clock PixelCNT VGAColor UserMode 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn) 輸出：送往 VGA接口的 RGB顏色信號(hào)。 d) VGASig 根據(jù)行列像素位置輸出 VGA 接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的行列同步負(fù)脈沖信號(hào)和行列消隱信號(hào)，兩種信號(hào)輸入到 VGA接口中可控制 CRT顯示器的掃描。 以上模塊分別由各個(gè) Component具體實(shí)現(xiàn)，由一個(gè) Package 進(jìn)行封裝。某些模塊沒有特別給出時(shí)鐘輸入，在具體分塊電路硬件描述時(shí)再行具體引入，詳述于 小節(jié)中。另一方面， VGAMode 將當(dāng)前顏色圖像信號(hào)、 VGASig 將行場(chǎng)同步和消隱信號(hào)輸出到 VGAController，控制器再輸出到 VGA 接口，以控制 CRT 顯示器。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 。硬件描述時(shí)采用條件判斷語(yǔ)句生成帶有優(yōu)先級(jí)的選擇電路。轉(zhuǎn)移條件均是子模式切換按鍵按下。只要判斷 hmov 在小于 640 像素區(qū)域內(nèi)，就不斷增大 hmov 就能實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到右邊界，即到達(dá) 640 像素，則將 vmov 增加，使得 豎向移動(dòng)， hmov 同時(shí)賦值為 0即可使色塊折回左邊界。四個(gè)方向看作四種狀態(tài)，依舊采類似頂層狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)框架就搭建好了，描述也已完整，只要分別去實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的接口定義就可以了。 sw0,sw1,sw2,sw3,sw4,sw5,sw6,sw7: in std_logic。 end ponent。 colors: out std_logic_vector(5 downto 0))。 hpos,vpos: in std_logic_vector(9 downto 0)。 usercolors: out std_logic_vector(5 downto 0))。 pixelt_port_map: pixelt port map(clk25m = clk25m, htout = ht, vtout = vt)。設(shè)計(jì)是正確的。 該模塊主要描述狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移條件是 SW1和 SW2的組合值，描述如下。 VGAMode 模塊負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)選擇輸出 VGAColor 送入的不同模式下的顏色圖像信號(hào)，輸出到 VGA接口。 end process。報(bào)告 第 20頁(yè) 圖 VGA行掃描狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 行同步信號(hào)產(chǎn)生描述如下。 end process。 end if。 venable = 39。 end process。 elsif hpos 640 and vpos 180 then colors0 = 000100。 end process。 a sub module which can generate several substates end if。 process(clk25m) line counter begin if (rising_edge(clk25m)) then if ht 800 then ht = ht + 1。 process(clk25m) vertical counter begin if (rising_edge(clk25m)) then if (ht = 640+8) then if vt 525 then vt = vt + 1。 數(shù)字電路綜合 實(shí)驗(yàn) process(clk50m) Time division process: 1hz begin if (rising_edge(clk50m)) then if counter1 = max1 then counter1 = 0。 狀態(tài)定義如下。039。 when us2 = userstate = us0。 靜態(tài)方形色塊的描述如下。實(shí)現(xiàn)時(shí)使用行位置計(jì)數(shù)和列位置計(jì)數(shù)，先行運(yùn)動(dòng)后列運(yùn)動(dòng)，每秒移動(dòng) 100 個(gè)行像素點(diǎn)。)。 else vmovus0 = (others = 39。報(bào)告 第 27頁(yè) 兩個(gè)進(jìn)程分別負(fù)責(zé)左右、上下兩組邊界的判斷，置邊界標(biāo)志取反，用以控制反彈時(shí)的反向。在此略去了上下邊界反彈的描述代碼。 end if。因?yàn)檫壿嬌系淖兓療o(wú)延時(shí)，但實(shí)際電路必然有延時(shí)。還有值得注意的是多余按鍵狀態(tài)的處理語(yǔ)句，這在狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)中是不可忽視的。 when 00010 = vmovus2 = vmovus2 1。 最后再利用選擇器對(duì)三種子模式的行列位置控制信號(hào)進(jìn)行選擇，完成模式的選擇，同時(shí)避免多驅(qū)動(dòng)問題。 end if。如圖 和圖 。圖 (a)為頂層狀態(tài)機(jī)的仿真，此時(shí)直接引入枚舉類型變量 state 進(jìn)行仿真。得到的仿真結(jié)果如圖 (b)所示。 圖 SW1和 SW0為“ 00”狀態(tài)，即狀態(tài)機(jī)處于 S0狀態(tài)，輸出橫向彩色條幅時(shí)的仿真。 圖 狀態(tài) S2 仿真波形圖 以上完成了重要模塊和 S0、 S S2三種狀態(tài)的仿真。報(bào)告 第 35頁(yè) 第三部分 結(jié)果與分析 實(shí)現(xiàn)功能說明 本實(shí)驗(yàn)完成的 VGA 顯示控制器，完成了課題要求的所有功能（參看 節(jié)“課題要求”），并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了用戶模式，實(shí)現(xiàn)了三種用戶子模式圖形的動(dòng)態(tài)顯示，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)（參看 “設(shè)計(jì)目標(biāo)”）。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如 VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)不在于把子系統(tǒng)或者子模塊中的數(shù)學(xué)表達(dá)式寫得有多么復(fù)雜，圖形有多么絢麗，也不在于可以在子系 統(tǒng)或者子模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式的控制。行為級(jí)描述可能與實(shí)際綜合的電路產(chǎn)生不一致，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。此外，時(shí)鐘模塊可以考慮將計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，減少邏輯資源的使用，但是以犧牲運(yùn)行速度為代價(jià)的，但本系統(tǒng)非高速系統(tǒng)，可以使用。 VGASig模塊產(chǎn)生 VGA掃描時(shí)的行列同步信號(hào)和消隱信號(hào)，主要是根據(jù) PixelCNT模塊的計(jì)數(shù)信息，進(jìn)行比較，在滿足條件時(shí)輸出同步和消隱信號(hào)。參看附錄圖 RTL圖。面積優(yōu)化即資源利用率的降低， 速度優(yōu)化即用更。純色模