【正文】 如下：1）輸入信號(hào)RESET：計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)。CNP ：計(jì)數(shù)器的輸入脈沖信號(hào)，上升沿有效。2）輸出信號(hào)S0、SS2：提供給密碼預(yù)置輸出模塊的地址選擇信號(hào)。17FULL： 提供給密碼預(yù)置輸出模塊，用于表示 6 位密碼是否輸入完畢。圖 212 計(jì)數(shù)器選擇模塊圖模塊描述在密碼器中，計(jì)數(shù)器選擇模塊的功能是用來給出密碼預(yù)置輸出模塊的地址選擇信號(hào) S0、S1 和S2，它的控制信號(hào) RESET 和時(shí)鐘信號(hào) CNP 是由控制器模塊來提供的；另外還有一個(gè)輸出信號(hào) FULL，它表示 6 個(gè)密碼已經(jīng)輸入完畢，控制器可以進(jìn)入到啟動(dòng)狀態(tài)。VHDL 設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器選擇模塊的 VHDL 程序?yàn)?。 數(shù)碼管顯示譯碼模塊輸入輸出信號(hào)定義圖 213 數(shù)碼管顯示譯碼模塊圖數(shù)碼管顯示譯碼模塊的模塊圖如圖 213 所示，模塊的輸入、輸出信號(hào)定義如下：1）輸入信號(hào)DATA ：4 位的 BCD 碼輸入信號(hào)，由數(shù)碼管掃描模塊提供。2）輸出信號(hào)A、B、C、D、E、F、G：分別對(duì)應(yīng) 7 段 LED 的 7 個(gè)輸入端口。模塊描述在密碼器中，顯示設(shè)備由 8 個(gè) 7 段 LED 組成。前 6 個(gè) LED 將顯示輸入的 6 個(gè)密碼，后 2 個(gè) LED 在用來在誤碼狀態(tài)下顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。由于采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，只須輸出一個(gè) LED 所須的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可。這里采用共陰極 LED，所以輸出 A～G 高電平有效。VHDL 設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示譯碼模塊的 VHDL 程序?yàn)?。 數(shù)碼管掃描模塊輸入輸出信號(hào)定義數(shù)碼管掃描模塊的模塊圖如圖 214 所示，模塊的輸入、輸出信號(hào)定義如下：1）輸入信號(hào)CLKSCAN：數(shù)碼管掃描頻率，來源于系統(tǒng)時(shí)鐘輸入 CLK。RESET：數(shù)碼管復(fù)位信號(hào)，由控制器模塊提供。IN1～I(xiàn)N6：數(shù)字密碼顯示輸入信號(hào)，由編碼模塊提供。18ININ8：剩余密碼輸入次數(shù)顯示輸入信號(hào)，由密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊提供。2）輸出信號(hào)DATA：用于提供給數(shù)碼管顯示譯碼模塊的數(shù)據(jù)輸入。SEL： 3 位的 2 進(jìn)制數(shù)碼管選擇信號(hào)，當(dāng)其為 111 ～010 時(shí)，選擇前 6 位數(shù)碼管，用于顯示輸入的密碼數(shù)字；當(dāng)其為 001～000 時(shí)，選擇后 2 位數(shù)碼管，用于顯示剩余密碼輸入次數(shù)。圖 214 數(shù)碼管掃描模塊圖模塊描述在密碼器中，輸入的數(shù)字密碼需顯示在 LED 上，由于輸入由 6 位，所以至少應(yīng)采用 6 個(gè) LED 進(jìn)行顯示。若采用傳統(tǒng)靜態(tài)顯示的方法，不僅需要消耗更大的芯片資源和管腳資源，而且還會(huì)在電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的電流,很容易造成電路燒壞。通過動(dòng)態(tài)掃描電路可以解決這一問題,通過產(chǎn)生一個(gè)掃描信號(hào) SEL(000) SEL(111) 來控制 8 個(gè)七段顯示器,依次點(diǎn)亮 8 個(gè)七段顯示器,也就是每次只點(diǎn)亮一個(gè)七段顯示器。只要掃描信號(hào) SEL(000) SEL(111) 的頻率超過人的眼睛視覺暫留頻率 24Hz 以上,就可以達(dá)到盡管每次點(diǎn)亮單個(gè)七段顯示器,卻能具有 8 個(gè)同時(shí)顯示的視覺效果,而且顯示也不致閃爍抖動(dòng)。這里數(shù)碼管掃描頻率采用密碼器時(shí)鐘輸入 CLK，為 300Hz。VHDL 設(shè)計(jì)數(shù)碼管掃描模塊的 VHDL 程序?yàn)?。 指示電路模塊輸入輸出信號(hào)定義圖 215 指示電路模塊圖指示電路模塊的模塊圖如圖 215 所示，模塊的輸入、輸出信號(hào)定義如下：1）輸入信號(hào)WAIT_L、S_LG、S_LR:由控制器模塊提供的紅綠燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DI: 由編碼模塊提供的按鍵音信號(hào)；BJY:由密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊的警告音信號(hào)。CLK_DIV1:用于報(bào)警狀態(tài)下的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。2)輸出信號(hào)LED_G:綠燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高電平有效。19LED_R:紅燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高電平有效。ALERT: 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高電平有效。模塊描述在密碼器中，指示電路模塊的功能是用來產(chǎn)生紅燈指示 LED_R、綠燈指示 LED_G 和蜂鳴裝置ALERT。根據(jù)圖 22 的模塊劃分圖可以看出，綠燈指示 LED_G 是由控制器模塊提供的置位信號(hào) S_LG 和按下 WAIT_T 鍵時(shí)提供的 WAIT_L 信號(hào)通過 RS 觸發(fā)器來共同控制的；紅燈是由控制器模塊提供的置位信號(hào) S_LR、信號(hào) WAIT_L 和 BJY 來來共同控制的；蜂鳴裝置 ALERT 是由由控制器模塊提供的置位信號(hào)S_LR、信號(hào) WAIT_L、單頻信號(hào) CLK_DIVDI 和 BJY 來共同控制的。VHDL 設(shè)計(jì)指示電路模塊的主要元件是 RS 觸發(fā)器，控制器提供的置位和復(fù)位信號(hào)都應(yīng)該是低電平有效。所以首先應(yīng)該進(jìn)行 RS 觸發(fā)器的 VHDL 設(shè)計(jì)，然后才能構(gòu)成指示電路模塊的 VHDL 設(shè)計(jì)。其中 RS 觸發(fā)器的VHDL 程序?yàn)?,指示電路模塊的 VHDL 程序?yàn)?。 誤碼模塊輸入輸出信號(hào)定義圖 216 誤碼模塊圖誤碼模塊的模塊圖如圖 216 所示，模塊的輸入、輸出信號(hào)定義如下：1）輸入信號(hào)ANC：由控制器模塊來提供，表示密碼輸入錯(cuò)誤。DS ：由控制器模塊來提供，作為延時(shí)和報(bào)警的脈沖信號(hào)。CLK：計(jì)數(shù)脈沖輸入，當(dāng)其計(jì)為 4 時(shí)，延時(shí)結(jié)束，這是如果密碼次數(shù)還不到 3 次，則可以再次輸入密碼。RET：復(fù)位信號(hào)，有控制器提供。2）輸出信號(hào)ININ8：用于顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。NOTC ：當(dāng)密碼錯(cuò)誤次數(shù)達(dá)到 3 次時(shí)有效，為 1，它將反饋給控制器模塊。DSW ：表示延時(shí)結(jié)束，這是密碼器可以由警告狀態(tài)進(jìn)入到密碼輸入狀態(tài)。BJY ：警告狀態(tài)下的紅燈和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。模塊描述該模塊用于對(duì)密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)不達(dá) 3 次時(shí)，密碼器將進(jìn)入到警告狀態(tài)，這時(shí)紅燈和蜂鳴器會(huì)有相應(yīng)的指示，大約持續(xù) 4 秒后，可以繼續(xù)輸入密碼。當(dāng)密碼器的密碼錯(cuò)誤次數(shù)達(dá)到 3 次時(shí)，密碼器將進(jìn)入到死鎖狀態(tài)。VHDL 設(shè)計(jì)根據(jù)前面對(duì)該模塊的描述，可以給出其 VHDL 程序，為 。 控制器模塊輸入輸出信號(hào)定義控制器模塊的模塊圖如圖 217 所示，模塊的輸入、輸出信號(hào)定義如下：20圖 217 控制器模塊圖1）輸入信號(hào)C1C2C3C44：由消抖模塊提供，分別對(duì)應(yīng)鍵 WAIT_T、SETUP、READY、OPEN_T。DATA_IN：由編碼模塊提供，表示有密碼輸入。DEP ：由比較模塊提供，當(dāng)它為 1 時(shí)，表示輸入的數(shù)字與預(yù)置密碼相等。DSW ：由密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器提供，當(dāng)它為 1 時(shí)，表示定時(shí)（4S）完，可以進(jìn)入到下一個(gè)狀態(tài)。FULL ：由計(jì)數(shù)選擇模塊提供，當(dāng)它為 1 時(shí)，表示已經(jīng)輸入了 6 位的正確密碼，可以進(jìn)入到啟動(dòng)狀態(tài)。NOTC ：由密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊提供，當(dāng)它為 1 時(shí)，表示密碼錯(cuò)誤次數(shù)已經(jīng)達(dá)到 3 次。這時(shí)將進(jìn)入到報(bào)警狀態(tài)。CLK ：輸入時(shí)鐘，有分頻模塊提供，與消抖模塊的輸入時(shí)鐘同步。2）輸出信號(hào)EN ：輸入到使能模塊的使能信號(hào)。DUS ：輸入到編碼模塊的讀數(shù)脈沖信號(hào)。ANC ：輸入到密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊的密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)脈沖。CNP ：輸入到計(jì)數(shù)器選擇模塊的輸入密碼位數(shù)計(jì)數(shù)脈沖。RESET：輸入到編碼模塊、計(jì)數(shù)器選擇模塊和數(shù)碼管掃描模塊的復(fù)位信號(hào)。DS ：輸入到密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊的定時(shí)信號(hào)。RET ：輸入到密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊的密碼錯(cuò)誤次數(shù)復(fù)位信號(hào)。WAIT_L、S_LG、S_LR：輸入到指示電路模塊的紅綠燈和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。模塊描述控制器模塊為數(shù)字密碼器的核心部分，它在密碼器系統(tǒng)中占有重要的地位，要編好這一部分的程序，必須先對(duì)該模塊的工作原理有清晰的認(rèn)識(shí)?？刂破髂K的工作原理如下所示：1）建立等待狀態(tài)建立等待狀態(tài)是指密碼器處于上電、啟動(dòng)或者報(bào)警后的狀態(tài)，這是密碼器并沒有進(jìn)入到正常的等待狀態(tài)，因此密碼器不會(huì)接受除 WAIT_T 信號(hào)外的任何輸入信號(hào)。當(dāng)操作人員按下 WAIT_T 鍵后，密碼器將會(huì)進(jìn)入到等待狀態(tài)，這時(shí)用來指示密碼器工作情況的指示燈和蜂鳴器都處于不工作狀態(tài)，同時(shí)它還將密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。2）準(zhǔn)備就緒狀態(tài)準(zhǔn)備就緒狀態(tài)是指密碼器在被按下 WAIT_T 鍵后處于的一種狀態(tài)。這時(shí)如果操作人員按下 READY 鍵，密碼器將會(huì)進(jìn)入到第 3 種狀態(tài)，等待密碼數(shù)字的輸入。在這種情況下，RESET 將被置 1，DS 信號(hào)將被置 0。3）密碼輸入狀態(tài)密碼輸入狀態(tài)是控制器模塊的第 3 個(gè)狀態(tài)，這是密碼器將進(jìn)入到密碼輸入的操作狀態(tài)。當(dāng)處于這種狀態(tài)時(shí)，控制器模塊的 EN 輸出信號(hào)將變?yōu)橛行?，它意味著此時(shí)允許數(shù)字密碼 A0～A9 的按鍵輸入。21在這種情況下，密碼器每收到一個(gè)按鍵信號(hào)后，控制器模塊應(yīng)該判斷出該按鍵輸入是數(shù)字密碼還是OPEN_T 信號(hào)。如果判斷出按鍵輸入 OPEN_T 信號(hào)，那么這是就不符合啟動(dòng)程序，這是密碼器將轉(zhuǎn)移到報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)還向密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)模塊發(fā)出 ANC 時(shí)鐘，作為密碼錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)輸入脈沖。是如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，則提供 DUS 時(shí)鐘給編碼模塊作為密碼輸入位數(shù)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，同時(shí)如果判斷出該按鍵輸入為正確密碼，則向計(jì)數(shù)器選擇模塊發(fā)出 CNP 時(shí)鐘信號(hào)，目的是選出對(duì)應(yīng)的預(yù)置密碼與輸入的密碼進(jìn)行比較。對(duì)于比較模塊來說，如果 DEP 的輸出為 0，那么控制器模塊應(yīng)該轉(zhuǎn)移到密碼錯(cuò)誤狀態(tài)；如果DEP 的輸出為 0，那么這時(shí)檢查計(jì)數(shù)器選擇模塊的輸出 FULL 是否有效。如果 FULL 有效，那么表示已經(jīng)接收了 6 個(gè)正確的數(shù)字密碼，控制器模塊將轉(zhuǎn)移到啟動(dòng)狀態(tài)，否則將返回本狀態(tài)繼續(xù)接收密碼。4）啟動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)狀態(tài)是控制器模塊的第 4 個(gè)狀態(tài)，這時(shí)控制器將判斷按鍵輸入的具體信號(hào)：如果判斷出按鍵輸入是 OPEN_T 信號(hào)，那么將發(fā)出 S_LG 信號(hào)；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么仍向編碼模塊發(fā)出DUS 時(shí)鐘。5）誤碼狀態(tài)當(dāng)控制器處于這個(gè)狀態(tài)時(shí)，如果按下 READY 鍵，那么控制器將發(fā)出復(fù)位信號(hào) RESET，并使控制器返回到密碼輸入狀態(tài)：如果按下 OPEN_T 鍵，那么控制器將向誤碼模塊發(fā)出 ANC 時(shí)鐘，同時(shí)轉(zhuǎn)移到報(bào)警狀態(tài)；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么向編碼模塊發(fā)出 DUS 時(shí)鐘。6）報(bào)警狀態(tài)當(dāng)控制器處于這個(gè)狀態(tài)時(shí)，這時(shí)控制器將判斷 NOTC 信號(hào)是否有效，如果該信號(hào)有效，則表示密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)已經(jīng)達(dá)到 3 次，這時(shí)密碼器將進(jìn)入到死鎖狀態(tài)，同時(shí)控制器將轉(zhuǎn)移到報(bào)警返回狀態(tài)；如果 NOTC 信號(hào)無效，則向密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)模塊發(fā)出定時(shí)信號(hào)，這時(shí)指示設(shè)備將發(fā)出警告信號(hào)，這時(shí)任何按鍵輸入都將不被響應(yīng)；如果定時(shí)結(jié)束（4s）則，密碼器將再次進(jìn)入到準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，這時(shí)允許再次輸入密碼。7）報(bào)警返回狀態(tài)報(bào)警返回狀態(tài)是控制器模塊的最后一個(gè)狀態(tài)，這是密碼器將判斷輸入的具體信號(hào)：如果按下SETUP 信號(hào)，那么控制器模塊將返回到密碼建立等待狀態(tài)；如果按下其他鍵，那么狀態(tài)將不會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)上面對(duì)控制器模塊的工作原理的描述，可以畫出該模塊的狀態(tài)圖，如圖 218 所示。其中QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG 分別對(duì)應(yīng)控制器的建立等待狀態(tài)、準(zhǔn)備就緒狀態(tài)、密碼輸入狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、誤碼狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警返回狀態(tài)這 7 個(gè)狀態(tài)。QAQB QCQDQEQG QF圖 218 控制器模塊的狀態(tài)圖WAIT_TREADYWAIT_T OPEN_TREADY READYFULLOPEN_TDEPOPEN_TNOTCDSWSETUPREADYSETUPVHDL 設(shè)計(jì)通過前面對(duì)控制器模塊的詳細(xì)介紹，可以給出控制器模塊的 VHDL 描述，其 VHDL 程序?yàn)?2。3 數(shù)字密碼器的 VHDL 程序的編譯、綜合、仿真、驗(yàn)證本課題中設(shè)計(jì)的所有模塊均采用 VHDL 硬件描述語言進(jìn)行描述，在 Altera 公司的 MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序的編譯、邏輯綜合和優(yōu)化、功能仿真、布局布線以及時(shí)序仿真，由 Altera 公司的FPGA 產(chǎn)品 FLEX10K 系列產(chǎn)品 EPF10K10LC844 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。 編譯、綜合Altera 公司的 MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境，由于其目的是形成可下載到可編程邏輯器件(FPGA 或 CPLD)中的文件，因此，編譯、綜合過程是一起的。邏輯綜合就是將較高抽象層次的描述自動(dòng)轉(zhuǎn)換到較低抽象層次描述的一種方法，就設(shè)計(jì)而言，既將 RTL 級(jí)的描述轉(zhuǎn)換成網(wǎng)表的過程，編譯的最終目的是為了生成可以進(jìn)行仿真、定時(shí)分析及下載到可編程邏輯器件的相關(guān)文件，如*.f，*.rPt，*.snf，*.pof 等。由于芯片的資源有限，為了優(yōu)化輸出和工藝映射，就要有相應(yīng)的約束條件加以控制。以 FPGA 為目標(biāo)器件時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)體中有的電路要盡量壓縮面積而忽略性能要求。而有的電路為了滿足關(guān)鍵信號(hào)及性能的要求，則要忽略面積占用。所以，速度和面積優(yōu)化的選擇在多數(shù)情況下是矛盾的，這就要求設(shè)計(jì)者視具體情況選擇，采用一定的優(yōu)化 [12]設(shè)計(jì)方法。 模塊仿真下面給出主要模塊的仿真波形圖。 頂層模塊仿真密碼輸入錯(cuò)誤圖 31 密碼輸入錯(cuò)誤狀態(tài)的仿真波形圖密碼輸入錯(cuò)誤狀態(tài)的波形仿真圖如圖 31 所示，從圖中可以看出：輸入的密碼為 854321，而正確密碼為 654321，所以在按下 OPEN_T 鍵后，控制器進(jìn)入了報(bào)警狀態(tài)（QF） ，符合控制器工作流程。密碼輸入正確23密碼輸入正確下的仿真波形圖如圖 32 所示。從圖中可以看出，當(dāng)密碼輸入 654321 后，控制器進(jìn)入到了啟動(dòng)狀態(tài)（QD） 。在按下 OPEN_T 鍵后，控制器又返回了建立等待狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出 LED_G 綠燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這完全符合控制器工作流