计时器的VHDL设计.doc

本报告共包含5个VHDL程序的设计：

VHDL程序1：计时器.

VHDL程序2：序列计数器.

VHDL程序3：脉冲宽度处理电路设计.

VHDL程序4：01011序列检测器.

VHDL程序5：赛跑计时秒表.

一 计时器

1. 设计任务和原理介绍：
假定输入时钟周期为1秒，我们根据这个时钟周期进行计数，设立了3个计数器，分别是秒计数器，分钟计数器，小时计数器。每次输入的时钟上升沿来临，直接驱动秒计数器。如果秒计数器值为59（二进制为111011），则秒计数器恢复为0，否则则秒计数器加1；在此情况下接着查看分钟计数器的值，如果此时分钟计数器值也为59（二进制为111011），则分钟计数器值恢复为0，否则分钟计数器加1；在秒计数器与分钟计数器都为59的情况下，还需查看小时计数器的值，如果此时小时计数器的值为23（二进制10111），则小时计数器的值恢复为0，否则小时计数器的值加1.
２.VHDL源程序：
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity counter is
port (
reset : in std_logic;
clk_sec : in std_logic;
seconds : out std_logic_vector (5 downto 0);
minutes : out std_logic_vector (5 downto 0);
hours : out std_logic_vector (4 downto 0)
);
end counter;
architecture behavior of counter is
signal count_sec : std_logic_vector (5 downto 0);
signal count_min : std_logic_vector (5 downto 0);
signal count_hour : std_logic_vector (4 downto 0);
begin
process (reset,clk_sec)
begin
if reset='0' then
count_sec (5 downto 0) <="000000";
count_min (5 downto 0) <="000000";
count_hour (4 downto 0) <="00000";
else
if clk_sec'event and clk_sec='1' then
if count_sec="111011" then
count_sec<="000000";
if count_min="111011" then
count_min<="000000";
if count_hour="10111" then
count_hour<="00000";
else
count_hour<=count_hour+1;
end if;
else
count_min<=count_min+1;
end if;
else
count_sec<=count_sec+1;
end if;
else
null;
end if;
end if;
end process;
seconds (5 downto 0) <=count_sec (5 downto 0);
minutes (5 downto 0) <=count_min (5 downto 0);
hours (4 downto 0) <=count_hour (4 downto 0);
end behavior;
3.程序主要部分介绍及流程图：
port (
reset : in std_logic;
clk_sec : in std_logic;
seconds : out std_logic_vector (5 downto 0);
minutes : out std_logic_vector (5 downto 0);
hours : out std_logic_vector (4 downto 0)
);
定义端口，从上往下分别为复位键，时钟信号输入端，秒输出端（0—59），分钟输出端（0—59），小时输出端（0—24）.
signal count_sec : std_logic_vector (5 downto 0);
signal count_min : std_logic_vector (5 downto 0);
signal count_hour : std_logic_vector (4 downto 0);
定义内部信号变量，分别对应秒，分钟，小时信号。

其流程图如下：

4.系统模块图：

5.仿真图：

本图是系统在特殊的时间：0小时59分59秒时的仿真图。观察可以发现，下一个时钟沿到达后，秒信号由3B（十进制59）变为00并产生进位，分钟信号由3B变为00并产生进位，小时信号由00变为01，从而使此时的时间为1小时0分0秒。从而验证了本程序的正确性。

二 序列计数器.

1. 设计任务和原理介绍：
序列计数器是经常出现在通信协议编译码器中的器件。其基本功能是对一个8bit位宽的二进制数中的连续为0的个数进行统计。具体规则为：在单个时钟脉冲时间内，完成对8bit的二进制数的连0个数进行统计，并且要求在整个序列中只能有一串连0出现，即8bit中的0是相邻的，此时，我们认为输出有效，并且输出连0的个数，否则无效，并且连0计数器清0，同时输出错误指示信号。
这里规定全1的序列为有效序列，其连0的个数为0个。例如：“00000000”合法，其计数值为8；“11111111”合法，其计数值为0；“11100011”合法，其计数值为3；“11011001”不合法，计数值清零，并且输出错误指示。

2. VHDL源程序：
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity count_zero is
port (
data : in std_logic_vector (7 downto 0);
count : out integer range 0 to 8;
error : out boolean
);
end count_zero;

architecture behavior of count_zero is
begin
process (data)
variable seen_zero, seen_trailing : boolean;
variable temp_count : integer range 0 to 8;
begin
error<=false;
seen_zero:=false;
seen_trailing:=false;
temp_count:=0;
for i in 0 to 7 loop
if (seen_trailing and data(i)='0') then
temp_count:=0;
error<=true;
exit;
elsif (seen_zero and data(i)= '1') then
seen_trailing:=true;
elsif (data(i)= '0') then
seen_zero:=true;
temp_count:=temp_count+1;
end if;
end loop;
count<=temp_count;
end process;
end behavior;

3.程序主要部分介绍及流程图：
port (
data : in std_logic_vector (7 downto 0);
count : out integer range 0 to 8;
error : out boolean
);
定义端口，从上往下分别为输入数据端（并行8bit），计数输出端，错误输出端。

variable seen_zero, seen_trailing : boolean;
variable temp_count : integer range 0 to 8;
定义了3个变量：
temp_count:完成单个时钟周期内对连零的计数。
seen_zero：指示序列中已经有0出现。
seen_trailing：指示序列中连零的状态已经出现一次。

其流程图如下：
4.系统模块图：

5.仿真图：

仿真图输入data分别为FF，00，01，02，EE，观察图所得对于输入FFH，即二进制11111111，输出的0的个数count为0 ，error为0；对于输入00H，即二进制00000000，输出的0的个数count为8 ，error为0；对于输入01H，即二进制00000001，输出的0的个数count为7 ，error为0；对于输入EEH，即二进制11101110，输出的0的个数count为0 ，error为1。以上满足设计要求，验证了程序的正确性。

三 脉冲宽度处理电路设计

1.设计任务和原理介绍：
本设计利用VHDL实现一个按键脉冲宽度处理电路。假设按键的高电平脉冲宽度可能为10－100个时钟宽度，每次按键在按键松开（释放）时输出一个时钟周期的高电平脉冲。
本程序利用状态机实现。共分为三个状态：
S0：初始状态。当接收到input端为1时，表明高电平脉冲到来，转为S1状态；当接收到input端为0时，表明高电平脉冲未来，依然保持S0状态。
S1：高电平脉冲持续状态。接收到input端为0时表明高电平脉冲结束，将check输出一个周期的高电平；接收到input端为1时，表明高电平脉冲持续，依然维持S1状态。
其状态转移图如下：

２.VHDL源程序：
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity check_pulse is
port (clock,reset,input: in std_logic;
check: out std_logic );
end entity check_pulse;

architecture asm of check_pulse is
type state is (s0,s1);
signal present_state, next_state : state;
begin
seq: process (reset, clock) is
begin
if reset ='1' then
present_state <=s0;
elsif rising_edge(clock) then
present_state <=next_state;
end if;
end process seq;

com: process( present_state ,input) is
begin
check<='0';
case present_state is
when s0 =>
if input='1' then
next_state <=s1;
else
next_state <=s0;
end if;
when s1 =>
if input='0' then
next_state <=s0;
check<= '1';
else
next_state <=s1;
end if;
end case;
end process com;
end architecture asm;

3.程序主要部分介绍：
程序主要分为2个进程来完成：seq进程和com进程。
Seq进程可以作为状态机的一个通用进程。它负责处理reset及随着时钟的到达将次状态变化为现状态。
seq: process (reset, clock) is
begin
if reset ='1' then
present_state <=s0;
elsif rising_edge(clock) then
present_state <=next_state;
end if;
end process seq;
com进程则负责处理状态机的逻辑变化，其原理等同于前面所介绍的状态机图。
com: process( present_state ,input) is
begin
check<='0';
case present_state is
when s0 =>
if input='1' then
next_state <=s1;
else
next_state <=s0;
end if;
when s1 =>
if input='0' then
next_state <=s0;
check<= '1';
else
next_state <=s1;
end if;
end case;
end process com;
end architecture asm;

4.系统模块图：

5．仿真图：

本图为系统的仿真图。由观察可以发现，在input端高电平脉冲降为低电平时，check端就会输出一个时钟周期的高电平脉冲。以上满足设计要求，验证了程序的正确性。
四 01011序列检测器

1.设计任务和原理介绍：
本设计为帧同步检测电路，输入位宽1位的二进制序列及时钟，输出高电平脉冲的检测结果。对输入的二进制序列检测帧同步序列“01011”，即当输入的二进制序列中出现帧同步序列时，输出一个高电平脉冲。
本设计利用状态机完成，共分为5个状态。
S0：初始状态。此时接收到input端输入0，则转入状态S1，表明检测到序列“0”；接收到input端输入1，则转入状态S0。
S1：检测到序列“0”的状态。此时接收到input端输入1，则转入状态S2，表明检测到序列“01”；接收到input端输入0，则转入状态S1。
S2：检测到序列“01”的状态。此时接收到input端输入0，则转入状态S3，表明检测到序列“010”；接收到input端输入1，则转入状态S0。
S3：检测到序列“010”的状态。此时接收到input端输入1，则转入状态S4，表明检测到序列“0101”；接收到input端输入0，则转入状态S1。
S4：检测到序列“0101”的状态。此时接收到input端输入1，则将found端输出一周期的高电平，表明检测到序列“01011”；接收到input端输入0，则转入状态S1。
其状态转移图如下：

２.VHDL源程序：
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity check_01011 is
port (clock,reset,input: in std_logic;
found : out std_logic );
end entity check_01011;

architecture asm of check_01011 is
type state is (s0,s1,s2,s3,s4);
signal present_state, next_state : state;
begin
seq: process (reset, clock) is
begin
if reset ='1' then
present_state <=s0;
elsif rising_edge(clock) then
present_state <=next_state;
end if;
end process seq;

com: process( present_state ,input) is
begin
found <= '0';
case present_state is
when s0 =>
if input='0' then
next_state <=s1;
else
next_state <=s0;
end if;

when s1 =>
if input='1' then
next_state <=s2;
else
next_state <=s1;
end if;

when s2 =>
if input='0' then
next_state <=s3;
else
next_state <=s0;
end if;

when s3 =>
if input='1' then
next_state <=s4;
else
next_state <=s1;
end if;
when s4 =>
if input='1' then
found<='1';
next_state <=s0;
else
next_state <=s1;
end if;
end case;
end process com;
end architecture asm;

3.程序主要部分介绍：
程序主要分为2个进程来完成：seq进程和com进程。
Seq进程可以作为状态机的一个通用进程。它负责处理reset及随着时钟的到达将次状态变化为现状态。
seq: process (reset, clock) is
begin
if reset ='1' then
present_state <=s0;
elsif rising_edge(clock) then
present_state <=next_state;
end if;
end process seq;
com进程则负责处理状态机的逻辑变化，其原理等同于前面所介绍的状态机图。
4.系统模块图：

5．仿真图：

本图为系统的仿真图。由观察可以发现，当input端两次输入“01011”序列时，found端输出一个时钟周期的高电平，表明已检测到要求的序列。以上满足设计要求，验证了程序的正确性。

五 赛跑计时秒表

1.设计任务和原理介绍：
本设计实现一个可以对两个运动员赛跑计时的秒表。其细节如下：
⑴ 秒表的输入有时钟（clk），一个按键（key）和reset键，假设key已经经过防抖动和脉冲宽度处理，每按一次key产生持续一个时钟周期的高电平脉冲，不需要对key再做任何处理。
⑵ 秒表输出用0－59的整数表示，不需要对十位和个位分别计数，不需要7段译码。
⑶ 按第一下key，开始计数，并输出计数值。
⑷ 第一个运动员到终点时按第二下key，秒表记住第一个运动员到终点的时间，但还在继续计数并输出计数值。
⑸ 第二个运动员到终点时按第三下key，停止计数，这时输出的计数值就是第二个运动员用的时间。
⑹ 按第四下key，秒表输出第一个运动员到终点的时间，即按第二下key时记住的计数值。
⑺ 最后按reset键，系统恢复为初试状态。
本设计采用状态机来实现。其状态转移图如下：

共包含5个状态，现分述如下：
S0：初试状态。当key为1时，进入状态S1，启动秒表计时。
S1：按下第一次key键后的状态。当key为1时，进入状态S2，记录下带一个运动员的到达时间，秒表照常输出运行。
S2：按下第二次key键后的状态。当key为1时，进入状态S3，
停止计数，输出第二个运动员的到达时间。
S3：按下第三次key键后的状态。当key为1时，进入状态S4，
输出第一个运动员的到达时间。
S4: 按下第四次key键后的状态。当key为1时，返回到状态S0，并初试化。

2.VHDL源程序：
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;

entity sec_clock is
port ( clk, key,reset : in std_logic;
seconds : out std_logic_vector (5 downto 0));
end entity sec_clock;

architecture asm of sec_clock is
type state is (s0,s1,s2,s3,s4);
signal q: std_logic_vector(5 downto 0);
signal arrive1: std_logic_vector(5 downto 0);
signal present_state, next_state : state;
signal count_begin:integer range 0 to 1;
signal is_arrive1:integer range 0 to 1;
begin
seq: process (reset, clk) is
begin
if reset ='1' then
present_state <=s0;
elsif rising_edge(clk) then
present_state <=next_state;
end if;
end process seq;

clock_count:process (clk,reset,is_arrive1) is
begin
if reset='1' then
q <="000000";
else if rising_edge(clk) then
if count_begin=1 then
if q = "111011" then
q <="000000";
else
q<=q+ 1;
end if;
end if;
end if;
end if;
end process clock_count;

com:process(present_state,key,reset)
begin
if reset='1'then
arrive1 <="000000";
count_begin<=0;
is_arrive1<=0;
end if;

case present_state is

when s0 =>
if key='1' then
next_state <=s1;
count_begin<=1;
else
next_state <=s0;
end if;

when s1 =>
if key='1' then
arrive1 (5 downto 0) <=q (5 downto 0);
next_state <=s2;
else
next_state <=s1;
end if;

when s2 =>
if key='1' then
count_begin<=0;
next_state <=s3;
else
next_state <=s2;
end if;

when s3 =>
if key='1' then
is_arrive1<=1;
next_state <=s4;
else
next_state <=s3;
end if;

when s4 =>
if key='1' then
next_state <=s0;
else
next_state <=s4;
end if;
end case;
end process com;

show:process(is_arrive1,clk)
begin
if is_arrive1=0 then
seconds (5 downto 0) <=q (5 downto 0);
else
seconds (5 downto 0) <= arrive1(5 downto 0);
end if;
end process show;
end architecture asm;

3.程序主要部分介绍：
程序主要由4个进程组成
seq进程可以作为状态机的一个通用进程。它负责处理reset及随着时钟的到达将次状态变化为现状态。
clock_count进程来实现秒表功能。
com进程来实现状态机的操作。
show进程用来将信号变量经处理送到seconds输出端。
4．系统模块图：

5．仿真图：

由观察可以发现，此满足设计要求，验证了程序的正确性。
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