1、本科毕业论文（20 届）汽车灯电路控制器的 EAD 设计所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - I -目 录摘要 .IIIAbstract.IV第一章 引言 .11.1 设计目的 .11.2 设计的基本内容 .11.3 EDA 的介绍 .11.3.1 EDA 技术的概念 .11.3.2 EDA 技术的发展史 .21.3.3 EDA 技术的特点 .21.3.4 EDA 技术的设计流程 .51.4 硬件描述语言（VHDL） .51.4.1 VHDL 的介绍 .51.4.2 VHDL 语言的特点 .61.4.3 VHDL 语言进行工程设计的优点 .61.5
2、 QuartusII 软件的介绍 .61.5.1 QyarturII 软件的简介 .61.5.2 QyarturII 软件的特点 .71.5.3 QuarturII 软件的组成元素 .7第二章 设计分解 .92.1 设计简介 .92.2 汽车灯主控模块 .102.3 左边灯控制模块 .132.4 右边灯控制模块 .152.5 前照灯控制模块 .182.6 时钟脉冲信号控制模块 .20总结 .23- II -参考文献 .24附录 .25致谢 .29- III -汽车灯电路控制器的 EDA 设计摘要随着社会的快递发展，科学技术的飞跃进步。当今交通越来越拥挤，安全问题越来越突出，介于此情况下汽车灯控
3、制器的设计成为解决交通安全问题一种好的途径。当今集成电路和计算机技术的飞速发展，一种高级、快速、有效的 EDA 技术（电子设计自动化技术)应运而生，使得将庞大的电路功能集成到一个芯片中成为可能，并且可以由用户自行设计逻辑功能，提高了系统的可靠性和集成度。VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)作为一种顺应历史潮流的工业标准，得到了迅速的发展 3。运用 VHDL 设计方法比运用电路图输入的方法更方便，优越性更加强。VHDL 不仅可以用于复杂数字逻辑电路和系统的总体仿真，还可以用于子系统仿真和具体电路
4、综合等各个设计阶段。因为设计的调试过程和主要仿真是在高层次完成的，所以能够在早期就发现结构上的错误，不仅可以减少设计工作的时间，而且也可以减少逻辑仿真的工作量。运用 EDA技术结合 VHDL 硬件描述语言可以快捷方便设计电路系统。Altered 公司开发 Quartus II 开发系统可以充分满足可编程逻辑设计所有要求,其丰富的图形界面，辅之以完整的、可及时访问的在线文档，使得设计人员能够轻松、愉快地熟悉和运用 Quartus II 软件来进行相关的设计。本文是在 EDA 系统的基础上，在 QuartusII 软件平台上，完成了汽车灯电路控制器的设计。采用 VHDL 硬件描述语言描述汽车尾灯电
5、路的功能，完成对电路的功能仿真。在整个设计过程中着重探讨了汽车灯电路的设计思路和 5 个功能模块划分，初步探讨电路逻辑综合原理，对汽车灯电路进行了逻辑综合。最后使用 EDA 实验开发系统对电路进行下载和验证。通过分析仿真波形表明设计的汽车尾灯电路完成了预期的功能。关键字：汽车灯电路控制器；EDA 技术；VHDL 语言；Quartus II 软件- IV -Auto lamp circuit controller EDAAbstractThe taxi is the most important part in a city public traffic.The taxi mileometer
6、is a special computation instrument,which show the milemeter and the total expense for passengers through installing taxi.In the initialutilization,the basic function of taxi mileometer is calculating the expense by mileage,the requirements focus on the higher precision and beRer reliability.Now the
7、re are lots of additional function along with the electronic technology development and the mileometer improvement This system using the VHDL language, PLD design rental car costs the system, develops the platform by the Quartus II software achievement, has designed the rental car fare register syst
8、em program and has carried on the procedure simulation. Causes its realization to cost as well as the initialization and the simulation automobile starts, stops, function and so onsuspension,anddynamic scanningdemonstrationfarenumber. Key words: The rental car costs the system，PLD design，the VHDL la
9、nguage，Quartus II- 1 -第一章 引言随着集成电路的飞速发展，现在超大规模集成电路（VLSI）的电路规模都在百万门量极以上，由于集成电路大规模、高密度、高速度的要求，使电子设计愈来愈复杂。采用 DEA 技术结合 VHDL 硬件描述语言来设计数字电路这一套新的方法解决了这一难题。1.1 设计目的本次设计课题的目的就是通过实践深入理解计算机组成原理，了解 EDA 技术并掌握 VHDL 硬件描述语言的设计思想和方法。以计算机组成原理为指导，通过在课堂上学习的 VHDL 语言结合电子电路的设计知识理论与实际想结合，掌握所学的课程知识和基本单元电路的综合设计应用，并提高自身的学习和应用
10、技能。1.2 设计的基本内容将汽车灯控制器细分为 5 个模块分别来设计，运用 VHDL 设计汽车灯控制器的各个模块，来完成对汽车灯控制器的设计工程，用 EDA 软件（QuartusII）进行编译和仿真，设计输入可采用原理图输入法和 VHDL 硬件描述语言输入法，并使用 EDA 工具对各模块进行仿真查看设计的可行性。汽车灯控制器的设计分为 5 个模块：汽车灯主控模块，左边灯控制模块，右边灯控制模块,前照灯控制模块和脉冲信号发生模块。把各个模块整合后就形成了汽车灯控制器。通过输入系统时钟信号和相关的汽车控制信号，汽车灯将正确显示当前汽车的控制状态 1。1.3 EDA 的介绍 1.3.1 EDA 技
11、术的概念EDA（Electronic Design Automation）即电子设计自动化技术，它是一种以计算机为基本工作平台，运用计算机图形学，计算数学，拓扑逻辑学，以至人工智能学等多种计算机应用学科的成果开发出来的一全套电子设计自动化的软件工具，是以微电子技术为物理层面，计算机软件技术为手段，现代电子设计技 术为灵魂，最终形成专用集成电路和集成电子系统为目的的一门新兴技术，是一种帮助电子设计工程师从事系统设计，产品和电子元件的综合技术。一般来讲，EDA技术的使用对象由两大类人员组成：一类是广大的电子线路设计人员，他们不具备专门的集成电路（IC）深层- 2 -次的知识；另一类是专用集成电路A
12、SIC的芯片设计研发人员。1.3.2 EDA 技术的发展史随着计算机，电子系统设计，集成电路的发展， EDA 技术也经历了计算机辅助设计（Computer-Aided Design, CAD） ，计算机辅助工程设（Computer-Aided Engineering Design，CAED）和电子设计自动化（EDA）这 3 个发展阶段2。（1）20 世纪 70 年代计算机辅助设计（CAD）阶段-20 世纪 70 年代在一开始的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到大量选用中小规模标准集成电路阶段。人们将这些器件焊接在电路板上，做成初级电子系统，对电子系统的调
13、试是在组装好的印刷电路（Printed Circuit Board，PCB）上进行操作的。随着社会的进步，由于设计师对图形符号使用数量有限，传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，在工作效率上也变得无法满足要求。这时，人们开始将产品设计过程中高度重复性的繁杂劳动，例如布图布线这些繁琐的环节，用分析的 CAD 工具与二维图形编辑替代，最具代表性的产品就是美国 Accel 公司开发的 Tango 布线软件是最具代表性的产品。当时 PCB 布图布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计工作有限且性能比较差。20 世纪 70 年代，可以说是 EDA技术发展的初期。（2）计算机辅助工程设计（CA
14、ED）阶段-20 世纪 80 年代初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准芯片来实现电子系统设计的。随着微电子工艺的发展，不久出现了集成上万只晶体管的微处理器，集成几十万直到上百万存储单元的只读存储器和随机存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑，掩模编程的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件（PAL 器件和 GAL 器件）等一系列微电子学和微结构的研究成果都为电子系统的设计提供了一个高新的平台。因此可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统的设计。（3）电子设计自动化（EDA）阶段-20 世纪 90 年代的时候，设计师慢慢的从使用硬件转向设计硬件，从单个电子产品开发转向系统级
15、电子产品开发片上系统（SOC） 。由此可以看出 EDA 工具是以系统级设计为核心，包括结构综合与系统行为级描述，测试验证与系统仿真，指标分配与系统划分，文件生成与系统决策等一整套的电子设计自动化工具。- 3 -1.3.3 EDA 技术的特点一个很类似的类比：如果把 EDA 的主要内容和传统绘画过程相比较，那么在绘画开始之前，我们必须准备好纸和笔墨这 2 样工具，其中白纸就好像是我们的设计载体大规模可编程逻辑器件；绘画所使用的笔墨就相当于我们的软件开发工具；绘画的方式相当于我们的输入方式。综上所述很明显，EDA 技术主要包括三部分的内容：a.大规模可编程逻辑器件（白纸） ；b.软件开发工具（笔墨
16、） ；c.输入方式（方式） 。一般来讲，EDA 设计技术就是指以计算机为工作平台，以 EDA 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程逻辑器件为实验载体，以 SOC 芯片和 ASIC 为设计目标，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。一般情况下，EDA 设计技术的基本特征主要包括以下几方面：（1）设计方法：自顶向下的设计思路,在传统的硬件电路设计中，我们一般都是采用自底向上的设计方法，思路是首先用来定义设计系统的子模块，同时还对子模块进行具体的设计，然后再根据设计的总体要求，将各个功能子模块合成，从而完成硬件的总体设计。随着数字系统规模的迅速扩大，自顶向下的设计方法由
17、于其独特的优越性，从而在各种设计方法中脱颖而出，成为目前数字系统设计中常用的设计方法。自顶向下的设计方法实际上就是基于芯片的系统设计方法，它在功能划分，任务分配和设计管理上等方面具有一定的优越性。与传统的自底向上的设计方法比，自顶向下的设计方法有助于在设计的早期发现结构设计中的错误，提高设计的一次成功率。EDA 技术的基本特征之一是采用自顶向下的设计方法。自顶向下的设计方法就是从设计的总体要求出发，自顶向下的将设计划分为不同的功能子模块，每个功能子模块完成一定的逻辑功能。这种设计方法首先设计顶层模块，进行顶层模块的设计，然后将顶层模块中逻辑功能划分成不同的功能子模块，再进行功能子模块详细具体的
18、设计。（2）硬件描述语言,随着大规模专用集成电路（ASIC）的开发和研制，为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发时间，各 ASIC 研制和生产厂家相继开发了用于各自目的的硬件描述语言，采用硬件描述语言进行电子系统设计是当前发展的趋势3。所谓硬件描述语言就是指对硬件电路进行行为描述，寄存器传输描述或者结构化描述的一种新兴语言，它能比传统的电路原理图更有效的表示硬件电路的特性。硬件描述语言的特征是科技借鉴高级程序语言设计的具体方法，从而可以对硬件电路的行- 4 -为和功能结构进行高度抽象化的描述。硬件描述语言也可以对硬件电路的设计进行不同层次，不同领域的模块验证和综合优化等处理
19、，从而实现硬件电路设计的高度自动化。采用硬件描述语言来设计硬件电路可以大大节省人力和物力，缩短研制周期，适应于小批量产品开发，也适用于大批量产品的样品研制，因而得到了广泛的应用。在目前的电子设计中，设计人员采用的最有代表性的硬件描述语言是美国国防部开发的 VHDL 语言。（3）逻辑综合和优化功能,逻辑综合功能是将较高层次的抽象描述转化到较低级别抽象的一种方法，简单地说，就是将设计的描述转化成底层电路表示。在进行综合时，综合程序将设计描述转化为数据结构，将设计的行为描述转化为寄存器传输级（RTL）描述，然后将 RTL 描述转换到门级4。从 RTL 描述转换到门级通常需要 3 步：首先将 RTL
20、描述转化为布尔描述，然后通过一个优化过程将布尔描述转化成优化的布尔描述，最后将优化的布尔描述映射到门级，即生成网表或一种逻辑方程。优化功能是指根据布尔方程功能等效的原则，利用逻辑综合生成的结果采用更小更快的综合结果代替一些复杂的单元，然后根据制定的目标可以映射成新的网表或者一组逻辑方程。设计人员经常采用的一种优化方法是先将非优化的布尔描述转换成最低级描述（pla 格式） ，然后再采用 pla 优化技术对这种描述进行优化，最后再尝试使用共享公共项去减少逻辑门的个数。优化的作用是将电路设计的时延缩短到最小和有效利用资源。几乎所有的 EDA 综合工具都可以利用约束条件对电路设计进行优化。一般情况下，
21、常用约束条件主要包括时间约束和面积约束。（4）开放性和标准化,一般来说，框架是一种软件平台结构，它的主要功能是为EDA 工具提供相应的操作环境。框架的关键在于提供与硬件平台无关的图形用户界面，工具之间的通信，设计数据和设计流程的管理等，另外框架还包括各种与数据库相关的服务项目。任何一个 EDA 工具系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，那么它就可以接纳其他厂商的 EDA 工具一起进行相应的设计工作。作为一套使用和配置 EDA 工具软件包的规范，框架可以实现各种 EDA 工具间的优化组合5，并集成在一个易于管理的统一的环境之下，目的是实现资源共享。- 5 -随着硬件描述语言等设计数据格式的
22、逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的 EDA 工具被集成在同一个工作站上，从而使 EDA 框架标准化。如今，新的 EDA 工具系统不仅能够实现高层次的自动综合逻辑和测试码的生成，而且还可以用各个仿真器对同一设计进行协同仿真，进一步提高 EDA 系统的工作效率和设计的正确性。1.3.4 EDA 技术的设计流程VHDL 语言的设计方法是一种高层次的设计方法，也称为系统级的设计方法，典型的 EDA 设计流程如下 6:（1）文本/原理图编辑与修改：首先利用 EDA 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本或图形方式表达出来。 （2）编译：完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变
23、成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。 （3） 综合：将软件设计与硬件的可实现性挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤。（4） 行为仿真和功能仿真：利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。（5）适配：利用 FPGA/CPLD 布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配报告指明了芯片内资源的分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况。（6） 功能仿真和时序仿真。（7）下载：如果以上的所有过程都没有发现问题，就可以将适配器产生的下载文件通过 FPGA/CPLD 下载电缆载入目标芯片中。（8） 硬件仿真与测试 4。1.4 硬件描述语言（VHDL）1.4.1 VHDL 的介绍VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL
