1、淮北 师范 大 学 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2011 届学士学位论文 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 基于 VHDL 的时序 逻辑电路 设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼
2、草鱼 草鱼 草鱼 学院 、 p o r k 专业 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼物理 与电子信息学院 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼电子信息工程 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 研 草鱼 究 草鱼 方 草鱼 向 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼电 路与系统 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 学 草鱼 生 草鱼 姓 草鱼 名 草鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 龙 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 芳 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼
3、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 II 学 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 号 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 20071342066 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 指导教师姓名 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 姜 草鱼 草鱼恩 草鱼 草鱼 华 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 指导教师职称 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼
4、 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼副 草鱼 草鱼 教 草鱼 草鱼授 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2011 年 草鱼 草鱼 4 月 草鱼 27 日 草鱼 基于 VHDL 的 时序 逻辑电路 设计 草鱼 草鱼 龙 草鱼 芳 草鱼 草鱼 淮北 师范 大 学 草鱼 草鱼 物理 与电子信息学院 草鱼 235000 草鱼 草鱼 摘要 草鱼 草鱼 本文 主要介绍 了时序逻辑电路 通过 EDA软件 Quartus 草鱼 II 平台进行 设计 的方法 及流程 。 草鱼 首先介绍了时序逻辑电路的相关知识 ， 鲤鱼 包括时序逻辑电路的特点以及
5、分析和设计过程 。 草鱼 其次 ， 鲤鱼 文章对 Quartus 草鱼 II 软件的使用 作了一定的介绍 ， 鲤鱼 同时阐述了 VHDL 语言的基本构造和语法特点 。 草鱼 最后 ， 鲤鱼 本文重点介绍了用 VHDL 语言来设计时序逻辑电路的具体流程 。 草鱼 文中选取了计数器 ， 鲤鱼 移位寄存器和序列信号发生器三个设计实例对这一设计过程加以说明 。 草鱼 详细介绍了用软件实现时序逻辑电路的设计 ,从电路的分析到程序的编写 ， 鲤鱼 并仿真验证了结果的正 确性 , 草鱼 具有较强的通用性 。 草鱼草鱼 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 III 草鱼
6、草鱼 关键词 草鱼 草鱼时序逻辑电路 ； porkEDA； por kQuartus 草鱼 II 软件 ； porkVHDL 语言 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 Sequential 草鱼 Logic 草鱼 Circuit 草鱼Design 草鱼 Based 草鱼on 草鱼VHDL 草鱼 草鱼 Long 草鱼 Fang 草鱼 草鱼 School 草鱼 of 草鱼 Physics 草鱼 and 草鱼 Electronic 草鱼 Information, 草鱼 HuaiBei 草鱼 Normal 草鱼 University, 草鱼 235000 草鱼 草鱼 Abstr
7、act 草鱼 草鱼 草鱼 This 草鱼 paper 草鱼 mainly 草鱼 introduces 草鱼 the 草鱼 methods 草鱼 and 草鱼 processes 草鱼 of 草鱼 sequential 草鱼logic 草鱼 circuit 草鱼 design 草鱼 by 草鱼 EDA 草鱼 software 草鱼 at 草鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 platform. 草鱼 Firstly, 草鱼 it 草鱼 introduces 草鱼some 草鱼 related 草鱼 knowledge 草鱼 about 草鱼 sequential 草鱼 logic 草鱼 ciu
8、cuit, 草鱼 including 草鱼 its 草鱼characteristic, 草鱼 analysis 草鱼 and 草鱼 design. 草鱼 Then, 草鱼 to 草鱼 some 草鱼 extant, 草鱼 the 草鱼 paper 草鱼 illustrates 草鱼 the 草鱼application 草鱼 of 草鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 software. 草鱼 Meanwhile, 草鱼 it 草 鱼 gives 草鱼 a 草鱼 introduction 草鱼 of 草鱼 VHDL 草鱼 language, 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHD
9、L 的时序逻辑电路设计 IV 草鱼 as 草鱼 its 草鱼 basic 草鱼 structure 草鱼 and 草鱼 grammatical 草鱼 trait. 草鱼 Finally, 草鱼 it 草鱼 emphases 草鱼 great 草鱼 attention 草鱼 over 草鱼this 草鱼 design 草鱼 process. 草鱼 This 草鱼 paper 草鱼 selects 草鱼 three 草鱼 design 草鱼 examples 草鱼 to 草鱼 illustrate 草鱼 this 草鱼 design 草鱼process. 草鱼 Respectively, 草鱼 t
10、hey 草鱼 are 草鱼 counter 草鱼 ,shift 草鱼 register 草鱼 and 草鱼 sequence 草鱼 producer. 草鱼 It 草鱼 introduces 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 of 草鱼 sequential 草鱼 logic 草鱼 circuit 草鱼 with 草鱼 software 草鱼 in 草鱼 detail 草鱼 from 草鱼 the 草鱼 analysis 草鱼of 草鱼 circuit 草鱼 to 草鱼 programming. 草鱼 And 草鱼 it 草鱼 simulates 草鱼 to 草鱼 verify 草鱼 t
11、he 草鱼 correctness 草鱼 of 草鱼 the 草鱼result 草鱼 with 草鱼 great 草鱼 commonality.草鱼 草鱼 Keywords 草鱼 草鱼Sequential 草鱼 logic 草鱼 circuit;por k 草鱼 EDA;por k 草鱼 Quartus 草鱼 II;pork 草鱼 VHDL 草鱼 language 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 目 草鱼 次 草鱼 引言 .1 草鱼 1 草鱼 时序逻辑电路的相关知识 .2 草鱼 1.1时序逻辑电路 概述 .2 草鱼 1.2 时序 逻辑电路的 分析与设计 .3 草鱼 2 草鱼 Quartus
12、II 草鱼 软件介绍 .6草鱼 2.1 草鱼 QuartusII 草鱼 软件的概述 .7 草鱼 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 V 2.2 草鱼 QuartusII 草鱼 软件的设计流程 .7 草 鱼 2.3 草鱼 硬件描述语言 VHDL.9 草鱼 3 草鱼 时序逻辑电路基于 VHDL的设计实 例 .12草鱼 3.1 草鱼 同步计数器的设计与实现 .12 草鱼 3.2 草鱼 移位寄存器的设计与实现 .16 草鱼 3.3 草鱼 序列信号发生器的设计 与实现 .19 草鱼 结论 .24草鱼 参考文献 .25草鱼 致谢 .26草鱼 淮北师范大学 2011
13、届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 1 引言 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 电子科技 飞速发展 ， 鲤鱼 现代电子技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术 ， 鲤鱼 即 EDA(Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation) 草鱼 技术 。 草鱼草鱼 随着半导体技术的发展 ， 鲤鱼 数字电路已经 由中小规模的集成电路向可编程逻辑器件(PLD)及专用集成电路 (ASIC)转变 。 草鱼 数字电路的设计手段也发生了变化 ， 鲤鱼 由传统的手工方式逐渐转变为以 EDA 工具作为设计平台的工作方式 。 草鱼 EDA 技术 就是 依赖功能强大的计算机 ， 鲤鱼
14、 在 EDA 草鱼 工 具软件平台上 ， 鲤鱼 对以硬件描述语言 HDL(Hardware 草鱼 Description 草鱼 Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件自动完成逻辑编译 、 por k化简 、 pork综合 、 pork布局布线 以及逻辑优化和仿真测试 ， 鲤鱼 直至实现既定的电子线路系统功能 。 草鱼 通过对电路结构或功能行为的描述 ， 鲤鱼 可以在不同 的抽象层次对电路进行逐层描述 ， 鲤鱼 用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字电路系统 。 草鱼草鱼 目前数字技术已渗透到科研 、 por k生产和人们日常生活的各个领域 。 草鱼 从计算机到家用电器 ， 鲤鱼
15、从手机到数字电话 ， 鲤鱼 以及绝大部分新研制的医用 、 pork军用设备等 ， 鲤鱼 无不尽可能地采用了数字技术 。 草鱼 数字技术的发展使得电路越来越集成化 、 pork小型化 、 por k规模化 ，鲤鱼 这给人们的生活带来了许多的便利 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 2 1 草 鱼 草鱼 时序 逻辑路 的相关知识 草鱼 1.1 草鱼时序逻辑电路 概述 草鱼 根据 逻辑功能的不同特点 ， 鲤鱼 可以将数字电路分为两大类 ， 鲤鱼
16、一类为组合逻辑电路（简称组合电路） ， 鲤鱼 另一类为时序逻辑电路（简称时序电路） 。 草鱼草鱼 1. 草鱼 时序逻辑电路的特点 草鱼 在时序逻辑电路中 ， 鲤鱼 任意时刻 的输出不但和当前输入有关 ， 鲤鱼 还与系统的原先状态有关 ， 鲤鱼 即时序电路的当前输出由输入变量与电路原先的状态共同决定 。 草鱼草鱼 而 在组合逻辑电路中 ， 鲤鱼 任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入 ， 鲤鱼 与电路 原来的状态无关 。 草鱼 因此为实现时序逻辑 电路的设计 目的 ， 鲤鱼 时序逻辑电路从某一状态进入下一状态时 ， 鲤鱼 必须首先设法 “ 记住 ” 原先的状态 。 草鱼 故 作为时序逻辑电路的基本
17、特征 ， 鲤鱼 时序逻辑电路应具有 “ 记忆 ” 功能 。 草鱼草鱼 因此 在电路结构上 ， 鲤鱼 时序逻辑电路包含组合电路和存储电路两个组成部分 ， 鲤鱼 而存储电路必不可少 。 草鱼 并且 ， 鲤鱼 在数字电路和计算机系统中 ， 鲤鱼 常用时序逻辑电路组成各种寄存器 、 pork存储器 、 pork计数器等 ， 鲤鱼 而 触发器 则 是时序电路最常用的记忆元件 。 草鱼 下 图是时序逻辑电路的基本框图 。 草鱼 草鱼 草鱼 图 1 草鱼 草鱼 时序电路方框图 草鱼 其中 ： por k草鱼 X 草鱼 ( 1X ， 鲤鱼 2X ， 鲤鱼 ， 鲤鱼 nX ）为外部输入信号 ； por k草鱼
18、Z 草鱼 ( 1Z ， 鲤鱼 2Z ， 鲤鱼 . .， 鲤鱼 jZ )为 电路的输出信号 ； por k草鱼 W 草鱼 ( 1W ， 鲤鱼 2W , 草鱼 .， 鲤鱼 kW )为 存储电路的输入 ； por k草鱼 Y 草鱼 ( 1Y ， 鲤鱼 草鱼 2Y ， 鲤鱼 ， 鲤鱼 lY ) 草鱼 为 存储电路的输出 ， 鲤鱼 也就是组合电路的部分输入 。 草鱼 草鱼 组 合 逻 辑 电 路 输出 Z（ Z1， Z2 ） 存 储 电 路 输入 X（ X1， X2.） Y(Y1， Y2 ) W（ W1， W2 ） 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 3 信号之间
19、的关系 如下 ： por k草鱼 Z( nt )=FX(nt ),Y(nt ) 草鱼 为 电路输出函数表达式 ； por k草鱼 W(nt )=GX(nt ),Y(v) 草鱼 为 存储电路的激励 函数 ； por k 草鱼 Y( 1nt )=HW(nt ),Y(nt ) 草鱼 为 存储电路的状态方程 。 草鱼 草鱼 由上可以看出 1nt 时刻的输出不仅取决于 1nt 时的输入 X( 1nt )， 鲤鱼 而且还取决于 nt 时刻存储电路的输入 W( nt )及存储电路在 nt 时刻的状态 草鱼 Y(nt )。 草鱼 这些都体现了时序逻辑电 路的特点 。 草鱼草鱼 2. 草鱼 时序逻辑电路的分类
20、草鱼 时序逻辑电路一般有两大类 ， 鲤鱼 一种是同步时序逻辑电路 ， 鲤鱼 这种电路只有在时钟脉冲上升沿或下降沿到达时刻才能同时更新所有存储电路器件的状态 ， 鲤鱼 另一种是异步时序逻辑电路 ， 鲤鱼 在这种电路中 ， 鲤鱼 存储电路器件的状态的更新与时钟脉冲的到达不是同步的 ， 鲤鱼 而是异步进行的 。 草鱼草鱼 此外 ， 鲤鱼 有时还根据输出信号的特点将时序电路划分为米利（ Mealy）型和穆尔（ Moore）型两种 。 草鱼 在米利型电路中 ， 鲤鱼 输出信号仅仅取决于存储电路的状态 。 草鱼 可见 ， 鲤鱼 穆尔型电路只不过 是米利型电路的一种特例而已 。 草鱼 还有一些具体的时序电路
21、中并不具备图 1 所示的完整形式 。 草鱼 例如 ， 鲤鱼 有的不具备组合电路部分 ， 鲤鱼 有的有可能没有输入变量 ， 鲤鱼 但它在逻辑功能上仍具备时序 逻辑 电路的基本特征 。 草鱼草鱼 时序逻辑电路的分析 与设 计 草鱼 1. 草鱼 时序逻辑电路的分析 草鱼 分析 一个时序电路 ， 鲤鱼 就是要找出给定时序电路的逻辑功能 。 草鱼 具体的说 ， 鲤鱼 就是要求找出电路的状态和输出的状态在输入变量和时钟信号作用下的变化规律 。 草鱼草鱼 时序电路的逻辑功能可以用输出方程 ， 鲤鱼 驱动方程和状态方程全面描述 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼只 要写出给定逻辑电路的这三个方程 ， 鲤鱼 那么它的逻辑
22、功能也就表示清楚了 。 草鱼 根据这三个方程 ， 鲤鱼 就能够求得在任何输入变量状态和电路状态下的电路的输出和次态 。草鱼草鱼 分析 同步时序逻辑电路 13时一般按 如方法进行 ： por k草鱼 (1) 草鱼 从给定的逻辑图中写出每个触发器的驱动方程（亦即存储电路中每个触发器输入信号的逻辑函数式） 草鱼 (2) 草鱼 将得到的这些驱动方程代入相应触发器的特性方程 ， 鲤鱼 得到每个触发器的状态方程 ， 鲤鱼 从而得到由这些状态方程组成的整个时序电路的状态方程组 草鱼 (3) 草鱼 根据逻辑图写出电路 的输出方程 草鱼 2. 草鱼 时序逻辑电路 的 数字 设计 草鱼 淮北师范大学 2011 届
23、学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 4 时序逻辑电路的设计是时序逻辑电路分析方法的逆过程 ,是根据给定的状态图或通过对设计要求的分析得到状态图 ,进而设计出时序逻辑电路的过程 ,采用传统的时序电路的设计方法时 ,时序逻辑电路的设计过程需要七个步骤 ,需要进行复杂的计算来确定状态方程 ,驱动方程 ,既繁琐又容易出错 ;pork尤其对异步时序逻辑电路的设计就显得更为复杂了 4。 草鱼 草鱼 而 利用控制卡诺图的特点和性质 ,提出了一种新的时序逻辑电路的设计方法 ： pork控制卡诺图法 ,该方法是由待设计系统的要求说明或系统 的状态图 ,根据所选用的触发器 ,得到该触发器相应的状态变
24、化条件 ,从而确定触发器的驱动条件和时钟脉冲条件 ,设计出所需要的时序逻辑电路 ,这种方法不仅适用于设计同步时序逻辑电路 ， 鲤鱼而且还适用于设计异步时序逻辑电路 5。 草鱼草鱼 控制卡诺图就是用规定的触发器状态变化时的符号填写的卡诺图 ， 鲤鱼 由控制卡诺图求出组成时序逻辑电路各触发器输入端及脉冲输入端的逻辑表达式 。 草鱼 当触发器状态发生变化时 ,作如下符号规定 :触发器状态由 0变到 0,记作 0； pork触发器状态由 0变到 1,记作 ； pork触发器状态由 1 变到 0,记作 ； pork触发器状态由 1 变到 1,记作 1；pork无关状态和多余状态记作 。 草鱼 草鱼 控制
25、卡诺图法是通过先填写出控制卡诺图 ,然后选取最合适的触发器 ,将时序逻辑电路设计出来 ， 鲤鱼 经过研究可得以下结论 :草鱼 J-K 触发器 ， 鲤鱼 J端必须包含 “ ” ； pork必须避免 “ 0” ； pork状态信号 ， 鲤鱼 “ ” 、 pork“ 1” 、p ork“ ” 为无关项 ， 鲤鱼 K 端必须 包含 “ ” ； pork必须避免 “ 1” ； pork状态信号 ， 鲤鱼 “ 0” 草鱼 、 pork“ ” 草鱼 、 pork“ ” 为无关项 。 草鱼 其它触发器 可总结如下表 1,输入控制端必须包含的信息为 “ 1” ， 鲤鱼 必须避免的信息为 “ 0” ,多余的 信
26、息 “ ” 。 草鱼草鱼 表 1 草鱼 各触发状态转换表 J K T D R S 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 控制卡诺图法设计时序逻辑电路的设计过程 草鱼 草鱼 给定逻辑功能 淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 VHDL 的时序逻辑电路设计 5 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 图 2 草
27、鱼 同步时序逻辑电路的设计过程 草鱼 设计过程中的具体过程如下 ： por k草鱼 草鱼 逻辑抽象 ,得出电路的状态转换图和状态转换表 草鱼 就是分析给定的逻辑问题 ， 鲤鱼 确定输入变量 、 pork输出变量和电路的状态量 ， 鲤鱼 定义输入 、pork输出逻辑状态和每个电路状态的含义并将电路状态编号 ， 鲤鱼 按照题意列出电路状态转换表或画出电路的转换顺序编号 。 草 鱼草鱼 草鱼 状态化简 草鱼 去掉多余的无用状态或将两结果相同的状态合并为同一个状态 。 草 鱼 草鱼 草鱼 状态分配 草鱼 时序逻辑电路的状态是用 触发器状态的不同组合来表示的 。 草鱼 首先 ， 鲤鱼 需要确定触发器的数目 ， 鲤鱼 其次 要给每个电路状态规定对应的触发器状态组合 。 草 鱼草鱼 草鱼 选定触发器的类 型 ， 鲤鱼 求出电路的状态方程 、 pork驱动方程和输出方 草鱼 草鱼 根据得到的方程式画出逻辑图 草鱼 草鱼 检查设计的电路能否自启动 草鱼 在异步时序逻辑电路 13中 ， 鲤鱼 每次电路状态发生转换时并不是所有触发器都有时钟建立原始状态图原 始状态表 状态简化求最小化状态表 状态编码 选触发器类型，求驱动方程、输出方程 画逻辑电路图 画出全状态图并检查，如不符重新设计
