Verilog数字钟专业课程设计.doc

课程设计汇报

课程设计题目： 数字钟系统设计

学 号：0327
学生姓名：刘新强
专 业：通信工程
班 级：1421302
指导老师：钟凯

1月 4日
摘要
FPGA（ Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，一个可编程逻辑器件，是现在数字系统设计关键硬件基础。可编程逻辑器件设计过程是利用EDA 开发软件和编程和编程工具对器件进行开发过程。
经过modelsim软件下采取verilog语言实现数字钟系统设计，实现了以下多个方面功效：
1. 数字钟基础计时功效
2. 数字钟校时功效
3. 数字钟系统报时功效

关键词：FPGA ；VHDL；数字钟

目录
一、FPGA和VHDL介绍 1
1、FPGA和介绍
2、VHDL介绍
二、课程设计目标和要求 2
1、教学目标
2、教学要求
3、数字钟系统设计要求
三、设计方案 2
1、系统框图
2、模块说明
四、仿真和实现 3
1、数字钟基础计时功效实现
2、数字钟校时功效实现
3、数字钟系统报时功效实现
五、试验心得 4
六、参考文件 4
七、代码 5

一、FPGA和VHDL介绍
1、FPGA介绍
以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成电路设计，能够经过简单综合和布局， 快速烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证技术主流。这些可编辑元件能够被用来实现部分基础逻辑门电路（比如 AND、OR、XOR、NOT）或更复杂部分组合功效比如解码器或数学方程式。在大多数 FPGA 里面，这些可编辑元件里也包含记忆元件比如触发器（Flip－flop）或其它愈加完整记忆块。系统设计师能够依据需要经过可编辑连接把 FPGA 内部逻辑块连接起来，就仿佛一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后成品 FPGA 逻辑块和连接能够根据设计者而改变，所以 FPGA 能够完成所需要逻辑功效。
FPGA 通常来说比 ASIC（专用集成电路）速度要慢，无法完成复杂设计，不过功耗较低。不过她们也有很多优点比如能够快速成品，能够被修改来更正程序中错误和更廉价造价。厂商也可能会提供廉价不过编辑能力差 FPGA。因为这些芯片有比较差可编辑能力，所以这些设计开发是在一般 FPGA 上完成，然后将设计转移到一个类似于 ASIC 芯片上。另外一个方法是用 CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)。
2、VHDL介绍
硬件描述语言已经有几十年发展历史，而且在系统仿真、验证和设计、综合等方面得到成功应用。现在常见硬件描述语言有 VHDL、 Verilog HDL 、ABEL 等[2][3][4]。VHDL则起源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，美国国防部提出 VHSIC 计划，目标是为下一代集成电路生产、实践阶段性工艺极限和完成 10 万门级以上电路设计而建立一个新描述方法[5]。VHDL 英文全称为 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,是 IEEE 标准化硬件描述语言，而且已经成为系统描述国际公认标准，得到众多 EDA 企业支持。
VHDL 含有很多优点使它能够被大多数人认可，被广泛应用在逻辑电路设计方面，而且成为了标准化硬件描述语言，其优点以下：
(1)功效强大和设计灵活。一个简练使用 VHDL 语言编写程序就能够描述一个复杂逻辑电路，因为 VHDL 拥有强大语言结构[6]。VHDL 多层次设计描述功效能够有效地控制设计实现，支持设计库和可反复使用元件生成，还支持多个设计方法，如层次化设计、模块化设计和同时、异步和随机电路设计。
(2)和具体器件无关。用 VHDL 设计硬件电路时不用先确定设计要用到哪种器件，也不用尤其熟悉器件内部结构，这么能够使设计人员专注于进行系统设计。设计完成后，能够依据消耗资源选择适宜器件，而不造成资源浪费。
(3)很强移植能力。VHDL 由很多不一样工具支持，同一个设计程序能够在包含综合工具、仿真工具、系统平台等工具中使用。
(4)强大硬件描述能力。VHDL 能够描述系统级电路和门级电路，而且描述方法多样，能够采取行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也能够用其混合描述方法。同时，VHDL能够正确地建立硬件电路模型，因为它支持惯性延迟和传输延迟。VHDL 数据类型很丰富，支持标准定义数据类型，当标准定义数据类型不能满足用户需求时，用户能够自己定义所需要数据类型，增加了设计自由度。
(5)语法规范，易于共享。当把用 VHDL 编写代码文件看作是程序时，它能够作为设计人员之间交流内容；当把它看作是文档时，能够作为签约双方协议文本。VHDL 易于共享特点，使得大规模协作开发轻易实现。同时，这些特点也促进了 VHDL 发展和完善。
总而言之，VHDL 有很多其它硬件描述语言所不含有优点。不过，VHDL 仍然存在部分缺点，关键是 3 个方面。
(1)要求设计者对硬件电路知识甚至是芯片结构方面知识了解较多。应该摆脱通常高级语言程序设计思绪，因为在电路世界里事件很多是并行发生，而且硬件电路系统内部模块能够是相互独立，也能够是互为因果，所以，在用 VHDL 设计硬件电路时应摆脱通常高级语言程序设计思绪。在设计电路时，应先构思电路，然后才能描述。
(2)不能进行太抽象系统描述。因为 EDA 工具无法综合抽象性太强系统,故用 VHDL描述系统电路时不能太抽象。现在 VHDL 极难综合实际硬件电路，只能适适用于系统建模。
(3)不能描述模拟电路。对于模拟电路而言，VHDL 并不是一个理想硬件描述语言。但能够预见，未来硬件描述语言发展方向是模拟电路和数模混合电路描述方法。
二、课程设计目标和要求
1、教学目标
《通信系统FPGA开发》是通信工程专业教学计划中一门关键专业实践课程，经过进行《通信系统FPGA开发》课程设计训练，使学生全方面掌握FPGA开发基础操作，巩固verilog硬件描述语言编写，培养学生正确设计思想，严厉认真、实事求是科学态度和勇于探索创新精神。注意和生产劳动相结合，重视工艺规程，促进理论联络实际，为毕业设计打下良好基础。
2、教学要求
从课程设计目标出发，经过设计工作各个步骤，达成以下教学要求：
（1）了解EDA软件设计通常操作步骤。
（2）掌握FPGA设计系统通常方法。
（3）熟练掌握使用modelsim和QuartusII软件设计较复杂数字逻辑电路。
（4）经过查阅手册和文件资料，培养学生独立分析问题和处理实际问题能力。
3、数字钟系统设计要求
(1) 有基础实时数字钟功效，即时，分，秒正常显示模式。（二十四小时制）
(2) 可对系统用手动方法校准，设计两个按键，按动校时键，时计数器加一，按动校分键，则电
路处于校分状态。
(3) 整点报时，要求在59分50秒，52秒，54秒，56秒和58秒发出一个低音信号，00分00秒发出一个高音信号。
三、设计方案
1、系统框图：

时计时

秒计时

分计时
进位
进位

Button_min

Button_hour
校分
校时
报时
高音或低音

2、模块说明
秒计时：60进制计数器，在59秒产生进位信号，并在下一个上升沿清零
分计时：60进制计数器，在59分产生进位信号，并在下一个上升沿清零
时计时：24进制计数器，在23H59Min59S产生进位信号，并在下一个上升沿清零
报时模块： 在59分50秒，52秒，54秒，56秒和58秒发出一个低音信号，00分00秒发出一个高音信号。
校时模块
四、仿真和实现
1、数字钟基础计时功效实现：

2、数字钟校时功效实现：

3、数字钟系统报时功效实现：

五、试验心得
经过两周课程设计，在老师指导下和同学帮助下，经过查阅图书馆资料和互联网资源，完成了此次课程设计，期间收获了很多。做课程设计前，应该先画步骤图，做个整体框架结构设计，然后去分别完成各个子模块，由繁入简，简化难度。立即查阅资料是必需，有时苦于某一问题时，就应该去看书。
经过此次课程设计，愈加熟悉了modelsim软件、verilog硬件描述语言和EDA设计通常步骤，
增强了我动手查阅手册和文件资料能力，和培养独立分析问题和处理实际问题能力。

六、参考文件
[1]刘福奇.Verilog HDL设计和实践.北京：北京航天航空大学出版社，.9
[2]王金明.数字系统设计和Verilog HDL（第5版）.北京：电子工业出版社，

七、代码：
1、digital_clock：
module digital_clock(clk,reset,button_hour,button_minute,second,minute,hour,alarm_1,alarm_2);
input clk,reset,button_hour,button_minute;
output reg[5:0] second,minute;
output reg[4:0] hour;
output reg alarm_1=1,alarm_2=0;

always@(posedge clk,negedge reset)
begin
if(~reset)//复位
begin second<=6'b0;minute<=6'b0;hour<=5'b0;alarm_1<=1;alarm_2<=0;end
else
begin
if(minute==6'd59)
begin
if(second==49||second==51||second==53||second==55||second==57) //报时
alarm_1<=0;
else alarm_1<=1;
end
if(minute==6'd59&&second==6'd59) alarm_2<=1;else alarm_2<=0; //报时
if(button_minute==1) begin minute<=minute+1;if(minute==6'd59) minute<=0; end
if(button_hour==1) begin hour<=hour+1;if(hour==5'd23) hour<=0;end//校时
if(second!=6'd59) second<=second+1;//秒计时
else if(second==6'd59)
begin
second<=0;minute<=minute+1;//分计时
if(minute==6'd59)
begin
minute<=0;hour<=hour+1;//时计时
if(hour==5'd23) hour<=0;
end
end
end
end
endmodule

2、测试平台文件：
`timescale 1ps/1ps
module digital_clock_test();
reg clk,reset,button_hour,button_minute;
wire[5:0] second,minute;
wire[4:0] hour;
wire alarm_1,alarm_2;
digital_clock u(clk,reset,button_hour,button_minute,second,minute,hour,alarm_1,alarm_2);
always #10 clk=~clk;
initial
begin
clk=0;reset=0;button_minute=0;button_hour=0;
#10 reset=1;
#500 button_minute=1;
#50 button_minute=0;button_hour=1;
#50 button_hour=0;
end
endmodule

东华理工大学
课程设计评分表
学生姓名： 班级： 学号：
课程设计题目：

项目内容
满分24
实 评
选
题
能结合所学课程知识、有一11定能——力：训、、练i。符合选题要求
（5人一题）
10

工作量适中，难易度合理
10

能
力
水
平
能熟练应用所学知识，有一定查阅文件及利用文件资料能力
10

理论依据充足，数据正确，公式推导正确
10

能应用计算机软件进行编程、资料搜集录入、加工、排版、制图等
10

能表现发明性思维，或有独特见解
10

成
果
质
量
总体设计正确、合理，各项技术指标符合要求。
10

说明书综述简练完整，概念清楚、立论正确、技术用语正确、结论严谨合理；分析处理科学、条理分明、语言流畅、结构严谨、版面清楚
10

设计说明书栏目齐全、合理，符号统一、编号齐全。　格式、绘图、表格、插图等规范正确，符合国家标准
10

有一定篇幅，字符数不少于5000
10

总 分
100

指导老师评语：

指导老师署名：
年 月 日