【正文】 奏的生活時，人們往 3 往忘記了時間，一旦遇到重要的事情而忘記了時間，這將會帶來很大的損失。數(shù)字化的鐘表給人們帶來了極大的方便。多功能數(shù)字鐘不管在性能還是在樣式上都發(fā)生了質(zhì)的變化，有電子鬧鐘、數(shù)字鬧鐘等等。具有校時以及報時功能，可以對年、月、日、時、分及秒進行單獨校對，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間。 本設(shè)計小組成員共有三人：其他兩人分別采用原理圖設(shè)計和 Verilog HDL 語言設(shè)計。 CPLD/PGFA幾乎能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能 CPU，下至簡單的 74電路。通過軟件仿真可以事先驗證設(shè)計的正確性，在 PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在線修改功能，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。這些優(yōu)點使得 CPLA/FPGA技術(shù)在 20世紀(jì) 90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了 EDA軟件和硬件描述語言 HDL的進步。 FPGA一般由 3種可編程電路和一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器 SRAM組成?？删幊踢壿嬆K CLB是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則的排列成一個陣列，散布于整個芯片；可編程輸入 /輸出模塊（ IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部封裝腳的接口，它通常排列在芯片的四周；可編程互連資源包括各種 長度的連接線段和一 5 些可編程連接開關(guān)，它們將各個 CLB之間或 CLB、 IOB之間以及 IOB之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。圖 21是 CLB基本結(jié)構(gòu)框圖，它主要由邏輯函數(shù)發(fā)生器、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器等電路組成。 G有 4個輸入變量 G G G3和 G4； F也有 4個輸入變量 F F F3和 F4。邏輯函數(shù)發(fā)生器 H有 3個輸入信號；前兩個是函 數(shù)發(fā)生器的輸出 G’和 F’，而另一個輸入信號是來自信號變換電路的輸出 H1。這 3個函數(shù)發(fā)生器結(jié)合起來，可實現(xiàn)多達9變量的邏輯函數(shù)。這些數(shù)據(jù)選擇器的地址控制信號均由編程信息提供，從而實現(xiàn)所需的電路結(jié)構(gòu)。 F和 G的輸入等效于 ROM的地址碼，通過查找 ROM中的地址表可以得到相應(yīng)的組合邏輯函數(shù)輸出。 /輸出模塊 IOB。它主要由輸入觸發(fā)器、輸入緩沖器和輸出觸發(fā) /鎖存器、輸出緩沖器組成。當(dāng) IOB控制的引腳被定義為輸入時，通過該引腳的輸入信號先送入輸入緩沖器。通過編程給數(shù)據(jù)選擇器不同的控制信息，確定送至 CLB陣列的 I1和 I2是來自輸入緩沖器，還是來自觸發(fā)器。 IOB輸出端配有兩只 MOS管，它們的柵極均可編程，使 MOS管導(dǎo)通或截止，分別經(jīng)上拉電阻接通 Vcc、地線或者不接通，用以改善輸出波形和負(fù)載能力?？删幊袒ミB資源 IR可以將 FPGA內(nèi)部的 CLB和 CLB之間、 CLB和 IOB之間連接起來，構(gòu)成各種具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)。 FPGA系統(tǒng)設(shè)計流程 一般說來，一個比較大的完整的項目應(yīng)該采用層次化的描述方法：分為幾個較大的模塊，定義好各功能模塊之間的接口，然后各個模塊再細(xì)分去具體實現(xiàn)，這就是 TOP DOWN（自頂向下）的設(shè)計方法。高層次設(shè)計只是定義系統(tǒng)的行為特征，可以不涉及實現(xiàn)工藝，因此還可以在廠家綜合庫的支持下，利用綜合優(yōu)化工具將高層次描述轉(zhuǎn)換成針對某種工藝優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)表，使工藝轉(zhuǎn)化變得輕而易舉。 7 圖 22 CPLD/FPGA系統(tǒng)設(shè)計流程 流程說明： “自頂向下”的設(shè)計方法進行系統(tǒng)劃分。此外，還可以采用圖形輸入方式（框圖、狀態(tài)圖等），這種輸入方式具有直觀、容易理解的優(yōu)點。 ，主要是檢驗系統(tǒng)功能設(shè)計的正確性。一般情況下，這一仿真步驟可略去。 編譯器 錯誤 !未找到引用源。 綜合器 錯誤 !未找到引用源。 適 配 器 錯誤 !未找到引用源。 適配后時序仿真 適配報告 錯誤 !未找到引用源。 仿真綜合庫 器件編程文件 錯誤 ! 未 找 到 引 用源。綜合優(yōu)化是針對 ASIC芯片供應(yīng)商的某一產(chǎn)品系列進行的，所以綜合的過程要在相應(yīng)的廠家綜合庫的支持下才能完成。一般的設(shè)計，也可略去這一步驟。 ，產(chǎn)生多項設(shè)計結(jié)果：（ a）適配報告，包括芯片內(nèi)部資源利用情況，設(shè)計的布爾方程描述情況等；（ b）適配后的仿真模型；（ c）器件編程文件。如果仿真結(jié)果達不到設(shè)計要求，就修改 VHDL源代碼或選擇不同速度和品質(zhì)的器件，直至滿足設(shè)計要求。 FPGA開發(fā)編程原理 硬件設(shè)計需要根據(jù)各種性能指標(biāo)、成本、開發(fā)周期等因素，確定最佳的實現(xiàn)方案，畫出系統(tǒng)框圖，選擇芯片，設(shè)計 PCB并最終形成樣機。編程語言主要有 VHDL和 Verilog兩種硬件描述語 言；編程工具主要是兩大廠家Altera和 Xilinx的集成綜合 EDA軟件（如 MAX+plusII、 QuartusII、Foundation、 ISE）以及第三方工具（如 FPGA Express、 Modelsim、 Synposys SVS等）。 HDL既可以描述底層設(shè)計，也可以描述頂層的設(shè)計，但它不容易做到較高的工作速度和芯片利用率。 。有的軟件 3種輸入方法都支持，如 ActiveHDL。電路原理圖方式描述比較直觀和高效，對綜合軟件的要求不高。在圖形的方式下定義好各個工作狀態(tài)，然后在各個狀態(tài)上輸入轉(zhuǎn)換條件以及相應(yīng)的輸入輸出，最后 生成 HDL語言描述，送去綜合軟件綜合到可編程邏輯器件的內(nèi)部。這種輸入方式最后所能達到的工作速度和芯片利用率也是主要取決于綜合軟件。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一 致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的 1HZ 時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。圖 31 所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu) 10 成框圖。其中的控制邏輯電路是比較靈活多樣的，不斷完善它可以增強數(shù)字鐘的功能。其總體框架如圖 32。秒計數(shù)器滿 60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器滿 60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“ 24翻 1”規(guī)律計數(shù)。日期部分由于日有 28天、 29天、 30天、 31天 4種情況，故日由年和月共同判斷其天數(shù)，日計滿后向月進位，月滿后向年進位。計時出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時、校分、校秒和校年、校月和校日?？刂菩盘栍?44矩形鍵盤輸入。譯碼顯示 12 電路由七段譯碼器完成，顯示由數(shù)碼管構(gòu)成。 石英晶體的選頻特性非常好，只有某一頻率點的信號可以通過它 ，其它 頻率段的信號均會被它所衰減 ， 而且 ， 振蕩信號的頻率與振蕩電路中的 R、 C元件的數(shù)值無關(guān)。然后再利用分頻電路 ， 將其輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊胄盘?，其組成框圖如圖 41。分頻電路的邏輯框圖 如圖 42所示。電路中采用 Max+plusII 元器件庫中的計數(shù)器7490 進行 硬件分頻。該模塊的時序仿真圖如圖 44 所示，滿足設(shè)計要求。下面先介紹鍵盤接口電路的工作原理，如圖 45。如圖所示，行線通 15 過一個電阻被上拉到 +5V 電壓。平時列線被置成低電平，沒有按鍵被按下的時候，行線保持高電平，而有按鍵被按下的時候，行線被拉成低電平，這時候控制器就知道有按鍵被按下，但只能判斷出在哪一行，不能判斷出在哪一列，因此接下來就要進行鍵盤掃描，以確定具體是哪個按鍵被按下。當(dāng)然，一個完整的按鍵掃描 過程還需要配合相應(yīng)的鍵盤去抖手段才能正確的識別按鍵，不會發(fā)生重鍵和錯誤判斷等情況。模塊的實現(xiàn)方法是先判斷是否有按鍵按下，如有按鍵按下則延時一段時間，待抖動過去之后再讀行線狀態(tài)，如果仍有低電平行線，則確定有按 16 鍵按下，然后產(chǎn)生一個有按鍵按下的信號。該模塊的邏輯框圖如圖 46 所示。 use 。 use 。 row:in std_logic_vector(3 downto 0)。 end qudou。 signal tmp1,sig2:std_logic。 tmp1=sig1(0)and sig1(1)and sig1(2)and sig1(3)。 process(clk1) begin if(clk139。139。039。039。139。 end if。139。039。 else counter=counter+39。 end if。 end if。 end behav。由于計數(shù)脈沖為 1KHZ，故從有按鍵按下到輸入信號產(chǎn)生大概需要 15ms。所以計數(shù)過程不會受抖動影響。 鍵掃描模塊的框圖如圖 47 所示。 Key_pre 是由去抖模塊輸出的有鍵按下的信號，這個信號引發(fā)按鍵掃描模塊內(nèi)部信號的變化，在該狀態(tài)信號的作用下，模塊可以鍵盤掃描。 SCAN_CODE[7..0]是掃描的鍵碼輸出端口。鍵盤掃描程序如下： library ieee。 use 。 entity ajsm is port(clky,key_pre:in std_logic。 :out std_logic_vector(3 downto 0)。 end ajsm。 signal counter:std_logic_vector(1 downto 0)。 19 begin sig2=key_pre。 process(clky) begin if(clky39。139。139。039。 else sig1=39。 counter=counter+39。 end if。 end if。 process(clky) 列線逐位輸出低電平 variable jt :std_logic。event and clky=39。)then if(sig1=39。)then jt:=sig_(3)。 end loop。 else sig_=1110。 end if。 20 process(clky) begin if(clky39。139。139。 else =0000。 end if。 process(clky) 鍵碼信號賦值 begin if(clky39。139。139。039。 sig_。 end if。 end if。 end process。 程序說明： 該程序較長，用個 4 個進程，這里逐一介紹。 第二個進程是根據(jù)狀態(tài)變量的狀態(tài)進行列線的低電平的逐位輸出。 21 第三個進程決定列線的輸出，平時輸出“ 0000”，當(dāng) sig1 為 1 時，輸出 sig_。 該模塊框圖如圖 48 所示。 圖 48 鍵碼轉(zhuǎn)換模塊邏輯框圖 鍵碼轉(zhuǎn)換的核心程序如下： library ieee。 use 。 entity jmzh is port(clky:in std_logic。 key_code:out std_logic_vector(3 downto 0))。 architecture behav of jmzh is begin process(clky) begin if(clky39。139。 when 11101101=key_code=0001。 when 11100111=key_code=0011。 when 11011101=key_code=0101。 when 11010111=key_code=0111。 when 10111101=key_code=1001。 when 10110111=key_code=1011。 when 01111101=key_code=1101。 when others =key_code=1111。 end if。 end behav。 完整的鍵盤程序應(yīng)加上剛開始介紹的分頻模塊，鍵盤接口電路總的邏輯連接框圖如圖 49 所示。 圖 410 秒計數(shù)模塊框圖 輸入端口 ENL 是秒時鐘使能信號，也是整個數(shù)字中的使能信號，高電平有效； RES 是異步清零信號； CLK 是秒脈沖輸入端口； MADD和 MDEC 是同步校時控制信號， MADD 是控制秒信號加一， MDEC 是控制秒信號減一；輸出端口 A[3..0]是秒時鐘的低位， B[3..0]是高位； CA端口是進位輸出端口，當(dāng)秒計數(shù)到 59 時輸出高電平，其它時候輸出低電平。 use 。 entity miao is port(enl,res,clk,madd,mdec:in std_logic。 ca:out std_logic)。 architecture SEC of miao is begin process(enl,clk,res) 24 variable m0,m1:std_logic_vector(3 downto 0)。139。 m1:=0000。039。event and clk=39。 then ca=39。 if madd=39。 or enl=39。 then if m0=1000 and m1=0101 then ca=39。 實際是第 59 個脈沖 end if。