【導(dǎo)讀】能力，增強(qiáng)編程能力,增強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力。設(shè)計(jì)一種交通燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城市十字交叉路口紅綠燈的控制。對(duì)所設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行QuartusⅡ仿真實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證算法性能。畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一篇，需符合學(xué)校要求；[3]李景華，可編程邏輯器件與EDA技術(shù).[M].東北大學(xué)出版.2021。[4]劉昌華，數(shù)字邏輯EDA設(shè)計(jì)與實(shí)踐，北京.國防工業(yè)出版社，[6]王正勇,.基于FPGA的交通信號(hào)控制器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2021,.試調(diào)試，并不斷修改完善。統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn),極大地提高了設(shè)計(jì)效率,縮短了設(shè)計(jì)周期,節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。因此,在設(shè)計(jì)中采用EDA技術(shù),應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VerilogHDL. 軟件集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真,并下載到FPGA中完成系統(tǒng)的控制作用。費(fèi),加重了道路交通壓力。本文通過綜合分析與比較后確定EDA技術(shù)為本文欲采取。的最佳設(shè)計(jì)方案。將硬件電路與軟件編程相結(jié)合使得各模塊的實(shí)現(xiàn)功能變得詳實(shí)而具體。部分調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題也進(jìn)行了描述以及提供了解決的方法。

　　

【正文】 多片 FPGA。串行模式可以采用串行PROM 編程 FPGA。外設(shè)模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。 系列器件以及 EPF10K10 芯片特點(diǎn) FLEX10K 系列具有以下特點(diǎn) : (l)高密度 :提供 10000~250000個(gè)可用門， 6144~40960位內(nèi)部 RAM。 (2)低功耗 :多數(shù)器件在靜態(tài)模式下電流小于 ，在 、 或 下工作 。 (3)高速度 :時(shí)鐘鎖定和時(shí)鐘自舉選項(xiàng)分別用于減少時(shí)鐘延時(shí) /過沖和時(shí)鐘倍 頻 。器件內(nèi)建立樹形分布的低失真時(shí)鐘 。具有快速建立時(shí)間和時(shí)鐘到輸出延時(shí) 的外部寄存器 。 (4)靈活的互連方式 :快速、互連延時(shí)可預(yù)測(cè)的快速通道 (Fast Track)連續(xù)式 布線結(jié)構(gòu)，快速，可預(yù)測(cè)延時(shí) 。實(shí)現(xiàn)快速加法、計(jì)數(shù)、比較等算術(shù)邏輯功能的專用進(jìn)位鏈 。實(shí)現(xiàn)高速、多輸入 (扇入 )邏輯功能的專用級(jí)聯(lián)鏈 。實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三態(tài)的三態(tài)模擬 。多達(dá)六個(gè)全局的時(shí)鐘信號(hào)和四個(gè)全局清除信號(hào) 。 (5)支持多電壓 FO 接口 。強(qiáng)大的 FO 引腳功能 :每個(gè)引腳都有一個(gè)獨(dú)立的三態(tài)輸出使能控制及漏極開路配置選項(xiàng)及可編程輸出速率控制 。FLEX10KA、 10LE、 IOKS 器件都支持熱插拔 。 (6)多種配置方式 :內(nèi)置 JTAG 邊界掃描測(cè)試電路，可通過外部 EPROM、智能控制或 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)在電路重構(gòu) (ICR) (7)嵌入式陣列塊 (EAB)，每個(gè) EAB 提供 2k比特位，可用來做存儲(chǔ)器或用來實(shí)現(xiàn)邏輯功能 。 (8)邏輯單元采用查找表 (LUT)結(jié)構(gòu)，嵌入式可編程邏輯器件，提供了集成系統(tǒng)于單個(gè)可編程邏輯器件中的性能 。 (9)多種封裝形式 :引腳范圍為 8小 600，封裝形式有 TQFP、 PQFP、 BGA 和 PLCC 等，同一封裝的 FLEXIOK 系列器件的引腳相兼容。 EPF10K10LC84芯片特點(diǎn)介紹 : 本設(shè)計(jì)驗(yàn)證采用的是 ALTERA 公司 FLEXIOK 系列的 EPF10K10LC84。使用的軟件是。在此主要介紹 EPFl0K10LC844的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 EPF10K10LC84一 4屬于 FLEX10K 系列，是 ALTERA 公司于 1995年推出的，它結(jié)合了 CPLD 和FPGA 的優(yōu)點(diǎn)，采用 CMOSSRAM 工藝，以及快速，可預(yù)測(cè)延時(shí)的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)，具有更高的集成度和豐富的寄存器資源。 14 基本開發(fā)流程與開發(fā)工具 ??7 FPGA 基本開發(fā)流程主要包括設(shè)計(jì)輸入 。設(shè)計(jì)仿真 。設(shè)計(jì)綜合 。布局布線 。配置五個(gè)主要步驟。設(shè)計(jì)輸入主要有原理圖輸入和 HDL 輸入兩種方式，一 般開發(fā)商都同時(shí)支持兩種輸入方式。有些熟悉硬件設(shè)計(jì)的工程師開始喜歡利用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方法非常直觀，但基于可移植性和規(guī)范化方面的考慮，絕大部分深入 FPGA 設(shè)計(jì)和 ASIC 設(shè)計(jì)的工程師最終都將統(tǒng)一到 HDL平臺(tái)上來。設(shè)計(jì)仿真包含功能仿真和時(shí)序仿真兩項(xiàng)主要內(nèi)容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導(dǎo)致的時(shí)延等因素，僅僅從邏輯上進(jìn)行仿真，這對(duì)設(shè)計(jì)思路的驗(yàn)證是有幫助的，但必須通過時(shí)序仿真作進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并修正時(shí)序問題。設(shè)計(jì)綜合將 HDL 語言生成用于布局布線的網(wǎng)表和相應(yīng)的約束。綜合效果直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)的性能和邏輯門的利用效率，因此 ，許多可編程邏輯器件開發(fā)商都支持第三方綜合和仿真工具，比較著名的有 :Single Chip Microputer 和 Modelsim 等。布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表，在 FPGA 內(nèi)部進(jìn)行布局布線，并生成可用于配置的比特流文件。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關(guān)，一般由可編程邏輯器件開發(fā)商直接提供。 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù) 單片機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用 單片機(jī)誕生于 20世紀(jì) 70年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 SCM 即單片微型計(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 MCU 即微控制器 (Micro Controller Unit)階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是 :不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決 。因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計(jì)、 EDA工具的發(fā)展，基于 SOC 的單片機(jī)應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì) 有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。 如果將 8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為下幾個(gè)階段。 (l)第一階段 (1976一 1978):單片機(jī)的探索階段。以 Intel 公司的 MCS48為代表。 (2)第二階段 (1978一 1982):單片機(jī)的完善階段。 Intel 公司在 MCS48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列 MCS 一 51。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。 ①完善的外部總線。 MCS 一 51設(shè)置了經(jīng)典的 8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括位數(shù)據(jù)總線、 16位地址總線、控制總線及具有很多機(jī)通信功能的串行通信接口。 15 ② CPU 外圍功能單元的集中管理模式。 ③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 ④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。 （ 3）第三階段 (1982一 1990):8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及 16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。 Intel 公司推出的 MCS 一 96系列單片機(jī)，將一些用于 測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。隨著 MCS 一 51系列的廣應(yīng)用，許多電氣廠商競(jìng)相使用 8OC51為內(nèi)核，將許多測(cè)控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道 A\D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路路功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。 (4)第四階段 (1990一 ):微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的 8位 /l6位 /32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。 目前，單片機(jī)正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。 CMOS 化。近年由于 CHMOS 技術(shù)的進(jìn)小，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以 8OC51取代 8051為標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片的原因。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用 CMOS(金屬柵氧化物 )半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。 CMOS 電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體 工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn) HMOS(高密度、高速度 MOS)和 CHMOS 工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS 電路己達(dá)到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時(shí)間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢(shì)已在于 TTL 電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域 CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 低功耗化。單片機(jī)的功耗已從 Ma 級(jí)，甚至 1認(rèn)以下 。使用電壓在 3~6V 之間 ,完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。 低電壓化。 幾乎所有的單片機(jī)都有 WAIT、 STOP 等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V 范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限己可達(dá) 1~2V。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。 低噪聲與高可靠性為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。 大容量化。以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 IKB~4KB， RAM 為 64~128B。但在需要復(fù)雜控制的場(chǎng)合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要 求，須運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB， RAM 最大為 2KB。 16 高性能化。主要是指進(jìn)一步改進(jìn) CPU 的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡(jiǎn)指令集 (RISC)結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行度?，F(xiàn)指令速度最高者已 100MIPS(Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒 )，并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其 I\O功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。 小容量、低價(jià)格化與上述相反，以 4位、 8位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。 外圍電路內(nèi)裝化。這也是單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路 等。 串行擴(kuò)展技術(shù)。在很長一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)位 OTP(One Time Programble)及各種類型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了片機(jī)“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 I2C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范化。 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能將列強(qiáng)。在單片機(jī)家族中， 80C51系列是其中的佼佼者，加之 Intel公司將其 MCS一 51系列中的 SOC51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了 80C51的許多特性。這樣， 80C51就 變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 80C51系列。 80C51單片機(jī)己成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 80C51可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片。 單片機(jī)的組成以及特點(diǎn) 單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是把 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入 /輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 (l)單片機(jī)的組成 單片機(jī)的典型組成是通過內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址， CPU通過它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或 I/O 接口 。數(shù)據(jù)總線的作用是在 CPU 與存儲(chǔ)器或 I/O 接口之間，或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù) 。控制總線包括 CPU 發(fā)出的控制信號(hào)線和外部送入 CPU的應(yīng)答信號(hào)線等。 17 (2)單片機(jī)的特點(diǎn) 由于單片機(jī)的這種結(jié)構(gòu)形式及它所采取的半導(dǎo)體工藝，使其具有很多顯著的特點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展。單片機(jī)主要發(fā)如下特點(diǎn) : ①有優(yōu)異的性能價(jià)格比。 ②集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)可靠性與抗干擾能力。另外，其 體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。 ③控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。 ④低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 ⑤外部總線增加了 I2C(InterIntegrated Circuit)及 SPI(serial Peripheral)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。 ⑥單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易 構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 EDA 與單片機(jī)技術(shù)的方案確認(rèn) 目前，單片機(jī)在我國電子系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，使我國的電子系統(tǒng)智能化水平在廣度和深度上發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在基于單片機(jī)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用戶能過通過編程方式改變器件邏輯功能只有兩條途徑 :即單片機(jī)的軟件編程和特定器件的控制配置。如果想任意確定器件引腳功能的硬件方式是不可能的。在數(shù)字系統(tǒng)中，盡管采用了單片機(jī)和存儲(chǔ)器，但仍需大量的中、小規(guī)模的數(shù)字集成電路來進(jìn)行各種邏輯控制。而對(duì)于系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計(jì)過程只能對(duì)器件功能和電路板圖分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定 ，通過設(shè)計(jì)板來規(guī)劃系統(tǒng)功能，花大量時(shí)間用于