【正文】 039。139。 end process。 最后是消隱信號的產(chǎn)生。消隱去描述如下。039。039。139。139。 end if。 VGAColor模塊的描述 該模塊 產(chǎn)生四種顯示模式 S0、 S S S3 的顏色圖像信號，其中用戶模式 S3 是調(diào)用 UserMode 模塊實現(xiàn)的。報告 第 22頁 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。 下面給出橫向條幅的的描述，縱向條幅描述類似。 elsif hpos 640 and vpos 120 then colors0 = 000001。 elsif hpos 640 and vpos 240 then colors0 = 010000。 elsif hpos 640 and vpos 360 then colors0 = 010010。 elsif hpos 640 and vpos 480 then colors0 = 011000。 end if。 64種純色的產(chǎn)生只要把 SW2～ SW7對應(yīng)賦值給顏色信號即可。 process(clk25m) state s2 process: 64 pure colors begin if(rising_edge(clk25m)) then colors2 = sw。 end process。 process(clk25m) state s3 process: selfdefined graph begin if(rising_edge(clk25m)) then colors3 = usercolors。 end process。報告 第 23頁 PixelCNT模塊的描述 該模塊輸出行列像素的位置信號。 行列像素計數(shù)值是顏色和圖形產(chǎn)生和控制的基礎(chǔ)。 下面給出行像素計數(shù)器描述。 else ht = (others = 39。)。 end if。 以下是列像素計數(shù)器描述。 else vt = (others = 39。)。 end if。 end process。報告 第 24頁 Clock模塊的描述 Clock模塊主要描述分頻。 process(clk50m) Time division process: 25mhz begin if (rising_edge(clk50m)) then clk25m = not clk25m。 end process。分頻到 100Hz計數(shù)值改為 max2=249999即可。 clk1hz = not clk1hz。 end if。 end process。首先描述狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移。 type userstates is (us0,us1,us2)。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述如下。 process(clk100hz) Antivibration process 數(shù)字電路綜合 實驗event and clk100hz=39。) then scountmp2 = scountmp1。 end if。 scountn is signal for changing state scountn = clk100hz and scountmp1 and (not scountmp2)。 when us1 = userstate = us2。 end case。 end process。該色塊為三個子模式 US0、 US US2 所共享。更加詳細的設(shè)計思路在，此處不再贅述。 process(clk25m,hpos,vpos) begin if (rising_edge(clk25m)) then define graph :a rectangle if ((hpos (hmov 30)) and (hpos (hmov + 30)) and (vpos (vmov 30)) and (vpos (vmov + 30))) then usercolors = 100010。 end if。 數(shù)字電路綜合 實驗 以下給出 US0 狀態(tài)的描述。每 秒移動 60 個列像素點，移動完整個屏幕需要。s regular movement: x first, then y if (rising_edge(clk100hz)) then if (userstate = us0) then if(hmov 640) then hmovus0 = hmovus0 + 1。039。039。 vclk = 39。 end if。 end if。 process(vclk) user state:us0 begin if (rising_edge(vclk)) then if(vmovus0 420) then vmovus0 = vmovus0 + 60。039。 end if。 end process。 數(shù)字電路綜合 實驗 以下只給出左右邊界的判斷和方向取反的描述。 end if。 end if。 以下進程處理運動方向，根據(jù)邊界值決定運動方向，此處定義的是左右邊界是 ’0’的情況下左移 ，左右邊界是 ’1’的情況下右移。 process(clk100hz) user state:us1 begin if (rising_edge(clk100hz)) then if (borderlr = 39。) then if(hmovus1 30) then hmovus1 = 0000101000。 end if。 else hmovus1 = hmovus1 + 1。 end if。報告 第 28頁 end if。 這里在硬件實現(xiàn)時遇到了一些阻礙，初始的代碼中沒有在邊界“突變”的描述，即 hmovus1 = 0000101000。這樣的后果是，邏輯上可以做到遇到邊界就改變方向，而實際電路中是無法實現(xiàn)的。以左右邊界為例加以分析。如此加減循環(huán)，hmovus1將一直在大于 610的附近浮動，方塊也就不再運動，表現(xiàn)為卡死在邊界上。 下面是 US2 子模式的描述。此處使用100Hz 的時鐘頻率是有考究的， 100Hz 的掃描頻率一方面可以作為按鍵防抖動的處理頻率，另一方面可以設(shè)置為按鍵移動速率，即每秒 100 像素點，可根據(jù)按鍵長度控制運動的距離，且圖形移動更加平滑，因為不用使用按鍵一次移動多個像素點的方案 。這里將除了上下左右四種按鍵狀態(tài)之外的所有按鍵狀態(tài)均視為空狀態(tài)，不對方塊位置做 數(shù)字電路綜合 實驗 數(shù)字電路綜合 實驗 vmovus2 = 0011110000。 when 00100 = hmovus2 = hmovus2 + 1。 when 00001 = vmovus2 = vmovus2 + 1。 end case。 end if。 end process。 process(clk100hz) begin if(rising_edge(clk100hz)) then case userstate is when us0 = vmov = vmovus0。 when us1 = vmov = vmovus1。 when us2 = vmov = vmovus2。 end case。 end process。報告 第 31頁 系統(tǒng)仿真驗證 系統(tǒng)仿真分為兩個步驟進行，首先是關(guān)鍵模塊的仿真，驗證子系統(tǒng)功能的正確性，然后是綜合仿真，驗證整個系統(tǒng)的功能。 在 QuartusII 菜單的 Assignments 下的 Settings 中依次指定各個子模塊為 Toplevel Entity，編譯后建立仿真文件，可完成各子模塊的仿真。 首先是 Clock模塊的仿真，由于 50M分頻難以仿真，故將輸入時鐘 clk50m設(shè)置為50kHz，分頻得到 clk25m實際為 25kHz， 1Hz和 100Hz分頻結(jié)果不改變。仿真結(jié)果表明分頻模塊滿足設(shè)計要求。如圖 PixelCNT模塊的列像素計數(shù)和行像素計數(shù)器的仿真波形。報告 第 32頁 圖 PixelCNT 模塊仿真圖（行計數(shù) ht 值） 從圖 和圖 不難看出像素計數(shù)值的變化和清零正確，符合 VGA 標(biāo)準的定義參數(shù)要求。 首先仿真的是系統(tǒng)的核心狀態(tài)機。仿真波形出現(xiàn)了未定狀態(tài)。初步的原因分析，主要是頂層狀態(tài)機的轉(zhuǎn)移是“異步”的轉(zhuǎn)移，是根據(jù) SW1 和 SW0 兩個按鍵的四種狀態(tài)直接決定當(dāng)前狀態(tài)的。 但進一步細致的仿真讓我發(fā)現(xiàn)了問題的根源。t display state machine states register holding state machine bit |vgacontroller|vgasmode:vgaemode_port_map| was synthesized away”。圖中顯示的狀態(tài)機轉(zhuǎn)移正常，但由于 S0被綜合優(yōu)化掉了，故沒有顯示。 圖 (a) 頂層狀態(tài)機仿真波形圖 數(shù)字電路綜合 實驗仿真結(jié)果說明狀態(tài)機工作正常。 值得說明的是，下面的仿真中，在不影響系統(tǒng)功能的情況下，將時鐘 clk50m 作了降頻處理，仿真中輸入 clk50m 為 50kHz，產(chǎn)生的 VGA 掃描信號 clk25m 相應(yīng)為25kHz， 1Hz和 100Hz由于更改了計數(shù)器的最大值 max1和 max2而保持不變。容易看出，系統(tǒng)當(dāng)前正從第一個橫向彩條（顏色為 100100）轉(zhuǎn)向下一個彩條（顏色為 000001），這與代碼描述中定義值一致。 圖 狀態(tài) S0 仿真圖（兩條幅切換時的情形） 數(shù)字電路綜合 實驗這里 SW 顯示“ 10”是因為仿真中 SW1和 SW0的位置交換了，實際代表的模式是 S1。截圖是部分波形，反映的是撥碼開關(guān) SW7～ SW2 從“ 000101”到“ 100101”切換時的 RGB 輸出，圖中 RGB 輸出與撥碼開關(guān)的輸入一致，說明純色模式正確。 仿真的重點在于控制器部分的狀態(tài)仿真。實際的仿真波形波形冗長，給截圖帶來不便，無法在本報告列出有信息量的波形圖。只要位置信息模塊 PixelCNT和行列同步與消隱信號正常（實際上前述仿真已能夠說明其正確性），即可很容易畫出動態(tài)的圖形。 數(shù)字電路綜合 實驗 由于頂層設(shè)計采用了有限狀態(tài)機和子系統(tǒng)分模塊描述的方法，使得控制器具有很好的擴展性。事實上例如增加游戲模式，在反彈球和受控運動的基礎(chǔ)繼續(xù)增加圖形和顯示控制的復(fù)雜性，都是很容易實現(xiàn)的。 另外，如果換用其他的實驗板，例如帶有 ROM 和 RAM 的實驗板可以在不修改頂層描述的情況下，增加讀取 RAM 存儲的圖像的模塊，即可實現(xiàn)如漢字顯示和照片顯示的功能。 但從系統(tǒng)設(shè)計的角度來講，沒有必要過多關(guān)注控制器以外的功能的實現(xiàn)。而真正的重點在于把系統(tǒng)層面的設(shè)計做好，把系統(tǒng)狀態(tài)機設(shè)計完整，系統(tǒng)架構(gòu)清晰，層次明確，穩(wěn)定性好，可擴展和可移植性好，這樣的系統(tǒng)給到用戶，只要添加用戶模塊或者稍作修改即可完成非特定的功能。報告 第 36頁 器件資源分析 在設(shè)計階段，對系統(tǒng)描述采用過多種方式，嘗試了多種描述，代碼的長度在增加，模塊在增多，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴展性也在增強，層次結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計也更加完善。隨著設(shè)計的深入，加上反復(fù)求精的過程磨練，逐步對硬件描述綜合出的實際電路形式有了更多的理解，對延時和資源占用有了初步概念。需要關(guān)注編譯器在綜合時如何將 VHDL 行為級描述轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的門級電路，才能分析清楚資源占用率和電路結(jié)構(gòu)。 圖 QuartusII編譯工程后的綜合報告。 圖 QuartusII 編譯綜合報告 數(shù)字電路綜合 實驗其余子模塊占用資源數(shù)都是很少的。 Clock模塊需要產(chǎn)生 25MHz、 100Hz、 1Hz頻率的時鐘信號，其中 100Hz和 1Hz時鐘的產(chǎn)生是靠計數(shù)觸發(fā)的，與邏輯描述對應(yīng)，生成的邏輯器件主要是計數(shù)器和比較器。參看附錄圖 RTL圖。參看附錄圖 RTL圖。狀態(tài)的選擇在邏輯器件實現(xiàn)時是 6個選擇器，其 輸入為 S0、 S S2 以及 S3 中的 US0、 US US2 共計 6 種狀態(tài)的六位顏色信號。參看附錄圖 RTL圖。其主要實現(xiàn)邏輯器件是比較器。 數(shù)字電路綜合 實驗橫彩和縱彩產(chǎn)生機理一致，由于采用了多分支的 IFELSIF 語句描述，產(chǎn)生的邏輯器件時用比較器判斷位置，利用多路選擇器 MUX選擇寄存器中的固定顏色值輸出。用戶模式產(chǎn)生的 Colors3 則直接通過總線給到上層VGAMode模塊進行選擇。 UserMode 模塊負責(zé)產(chǎn)生用戶的定義的動態(tài)圖形。綜合產(chǎn)生的邏輯器件主要是多路選擇器和比較器，邏輯簡單，但算數(shù)運算消耗了大量器件資源。 在 VHDL 語言電 路優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，優(yōu)化主要包括面積優(yōu)化和速