EDA技術及其應用第4章應用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)

EDA技術及其應用第4章應用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)1項目1：電子琴的設計設計目標：設計一個電子琴，具有8個按鍵，當按下某一個按鍵的時候，能夠演奏8個音符之一：

1、2、3、4、5、6、7、H1視頻演示知識點：熟練掌握計數(shù)器的設計方法；熟練掌握可變分頻器的設計方法；熟練掌握IF語句的使用；熟練掌握CASE語句的使用；項目1：電子琴的設計設計目標：2項目1：電子琴的設計項目分析：設計問題1：如何發(fā)出不同音調(diào)的聲音？設計關鍵1：可變分頻器/

數(shù)控分配器。項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵1：3項目1：電子琴的設計項目分析：設計問題2：按下不同按鍵時，如何得到不同的分頻數(shù)？設計關鍵2：向可變分頻器（數(shù)控分配器）提供分頻數(shù)字，需要一個“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。．．．18?項目1：電子琴的設計項目分析：．．．18?4項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵1：

可變分頻器（數(shù)控分配器）！項目1：電子琴的設計項目分析：5項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCNT10IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);ENDCNT10;知識回顧：10進制計數(shù)器設計項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;知識回顧：106項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOFCNT10ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IFCNTI<9THEN--檢測是否小于9

CNTI:=CNTI+1;--小于9，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>‘0’);--大于等于9，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;

END

IF;

IFCNTI=9THENCOUT<=‘1’;--計數(shù)等于9，輸出進位信號

ELSECOUT<='0';

END

IF;CNT<=CNTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

知識回顧：10進制計數(shù)器設計項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO7仿真結果：10進制計數(shù)器設計結論：計數(shù)器就可以完成分頻器的任務！項目1：電子琴的設計仿真結果：10進制計數(shù)器設計結論：項目1：電子琴的設計8項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY

CNT_N

IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;

N :INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);END

CNT_N;設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵：N進9項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOF

CNT_N

ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IF

CNTI<N-1

THEN--檢測是否小于N-1

CNTI:=CNTI+1;--小于N-1，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>'0');--大于等于N-1，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;

END

IF;

IF

CNTI=N-1

THENCOUT<='1';--計數(shù)等于N-1，輸出進位信號

ELSECOUT<='0';

END

IF;CNT<=CNTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO10設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器結論：COUT實現(xiàn)了N分頻，但是占空比是1/N，能量不足，無法驅(qū)動蜂鳴器工作。N分頻，占空1/N項目1：電子琴的設計設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器結論：N分頻，占空111項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY

CNT_N

IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;

N :INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);END

CNT_N;設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵：12項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOF

CNT_N

ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IF

CNTI<N-1

THEN

CNTI:=CNTI+1;--小于N/2，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>'0');--大于等于N/2，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;END

IF;IF

CNTI<CONV_INTEGER(N)/2

THENCOUT<=‘0';

ELSECOUT<=‘1';

END

IF;CNT<=CNTI;COUT<=COUTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO13占空比非50%占空比接近50%結論：COUT實現(xiàn)了N分頻，當N比較大時，占空比是接近50%，能量足以驅(qū)動蜂鳴器工作。設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計占空比非50%占空比接近50%結論：設計關鍵：項目1：電子琴14項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵2：向可變分頻器（數(shù)控分配器）提供分頻數(shù)字，需要一個“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計項目分析：15項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYconverterIS

PORT

(

key:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);

en:OUTSTD_LOGIC;

div_num:OUTintegerrange0to4095;

CODE:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);

HIGH:OUTSTD_LOGIC

);END

entityconverter;設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵2：16項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREoneOFconverterIS

BEGIN

PROCESS(converter)

BEGIN

CASEkeyIS--譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預置數(shù)

WHEN"00000000"=>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0‘;--不按鍵，0Hz，不響

WHEN"00000001"=>div_num<=2867;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='0';--按鍵1，中音1，523.25Hz;

WHEN"00000010"=>div_num<=2554;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='0';--按鍵2，中音2，587.33Hz;

WHEN"00000100"=>div_num<=2275;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='0';--按鍵3，中音3，659.26Hz;

WHEN"00001000"=>div_num<=2148;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='0';--按鍵4，中音4，698.46Hz;

WHEN"00010000"=>div_num<=1913;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='0';--按鍵5，中音5，783.99Hz;

WHEN"00100000"=>div_num<=1705;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='0';--按鍵6，中音6，880Hz;

WHEN"01000000"=>div_num<=1519;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='0';--按鍵7，中音7，987.77Hz;

WHEN"10000000"=>div_num<=1433;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--按鍵8，高音1，1046.5Hz;

WHENothers =>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0';--同時按多個鍵，0Hz，不響ENDCASE;

ENDPROCESS;ENDone;設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREoneOF17項目1：電子琴的設計設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計設計關鍵2：18設計關鍵3：

在頂層原理圖中組裝各個功能模塊。項目1：電子琴的設計思考：原理圖作為頂層設計文件有什么優(yōu)點和缺點？如何使用“元件例化”語句完成模塊調(diào)用和信號線連接，頂層程序設計怎樣設計？VHDL程序作為頂層設計有什么優(yōu)缺點？設計關鍵3：項目1：電子琴的設計思考：194.31位全加器的VHDL描述

4.3.1半加器描述LIBRARY

IEEE;--1位二進制全加器頂層設計描述USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYf_adderIS

PORT(ain，bin，cin:IN

STD_LOGIC;cout，sum:OUT

STD_LOGIC);END

ENTITYf_adder;ARCHITECTUREfd1OFf_adderIS

COMPONENTh_adder--調(diào)用半加器聲明語句

PORT(a，b:IN

STD_LOGIC;co，so:OUT

STD_LOGIC);

ENDCOMPONENT；

COMPONENTor2a

PORT(a，b:IN

STD_LOGIC;c:OUT

STD_LOGIC);

ENDCOMPONENT；SIGNALd，e，f:STD_LOGIC;--定義3個信號作為內(nèi)部的連接線。BEGINu1:h_adderPORTMAP(a=>ain，b=>bin，co=>d，so=>e);--元件例化語句u2:h_adderPORT

MAP(a=>e，b=>cin，co=>f，so=>sum);u3:or2aPORT

MAP(a=>d，b=>f，c=>cout);END

ARCHITECTUREfd1;

4.31位全加器的VHDL描述4.3.1半加器描述20項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IF語句的使用；CASE語句的使用；計數(shù)器的設計；可變分頻器的設計；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：21項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IF語句的使用；IF語句既可以描述組合電路，也可以描述時序電路；完整條件IF語句用來描述組合電路；

IFs='0'THENy<=a;ELSE

y<=b;END

IF;IFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN

CNT<=CNT+1;END

IF;不完整條件IF語句用來描述時序電路；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IFs='0'22項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：CASE語句的使用；CASE語句最適合于描述譯碼器電路；不完整的CASE語句會生成不必要的鎖存器；

CASEkeyIS--譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預置數(shù)

WHEN"00000000"=>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0‘;--不按鍵，0Hz，不響

WHEN"00000001"=>div_num<=2867;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='0';--按鍵1，中音1，523.25Hz;

WHEN"00000010"=>div_num<=2554;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='0';--按鍵2，中音2，587.33Hz;

WHEN"00000100"=>div_num<=2275;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='0';--按鍵3，中音3，659.26Hz;

WHEN"00001000"=>div_num<=2148;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='0';--按鍵4，中音4，698.46Hz;

WHEN"00010000"=>div_num<=1913;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='0';--按鍵5，中音5，783.99Hz;

WHEN"00100000"=>div_num<=1705;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='0';--按鍵6，中音6，880Hz;

WHEN"01000000"=>div_num<=1519;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='0';--按鍵7，中音7，987.77Hz;

WHEN"10000000"=>div_num<=1433;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--按鍵8，高音1，1046.5Hz;

WHENothers =>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0';--同時按多個鍵，0Hz，不響ENDCASE;項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：CASEkey23項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：計數(shù)器的設計；可變分頻器的設計；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：24項目2：音樂播放器的設計設計目標：設計一個音樂播放器，可以播放一首歌曲；拓展設計：設計一個音樂播放器，可以播放多首歌曲；具有“播放/停止”、“暫停播放”和2個按鍵；當?shù)谝淮伟聪隆安シ?停止”按鍵的時候，能夠重頭開始演奏一首動聽的樂曲，第二次按下鍵，就停止播放；當按下“暫停播放”按鍵的時候能夠在暫停演奏和繼續(xù)演奏之間切換；項目2：音樂播放器的設計設計目標：25項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分頻模塊項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分26項目2：音樂播放器的設計4-5樂曲硬件演奏電路設計

ROM中的數(shù)據(jù)文件music.mifWIDTH=4;--“梁?！睒非葑鄶?shù)據(jù)DEPTH=256;ADDRESS_RADIX=DEC;DATA_RADIX=DEC;CONTENTBEGIN--注意實用文件中要展開以下數(shù)據(jù)，每一組占一行00:3;01:3;02:3;03:3;04:5;05:5;06:5;07:6;08:8;09:8;10:8;11:9;12:6;13:8;14:5;15:5;16:12;17:12;18:12;19:15;20:13;21:12;22:10;23:12;24:9;25:9;26:9;27:9;28:9;29:9;30:9;31:0;32:9;33:9;34:9;35:10;36:7;37:7;38:6;39:6;40:5;41:5;42:5;43:6;44:8;45:8;46:9;47:9;48:3;49:3;50:8;51:8;52:6;53:5;54:6;55:8;56:5;57:5;58:5;59:5;60:5;61:5;62:5;63:5;64:10;65:10;66:10;67:12;68:7;69:7;70:9;71:9;72:6;73:8;74:5;75:5;76:5;77:5;78:5;79:5;80:3;81:5;82:3;83:3;84:5;85:6;86:7;87:9;88:6;89:6;90:6;91:6;92:6;93:6;94:5;95:6;96:8;97:8;98:8;99:9;100:12;101:12;102:12;103:10;104:9;105:9;106:10;107:9;108:8;109:8;110:6;111:5;112:3;113:3;114:3;115:3;116:8;117:8;118:8;119:8;120:6;121:8;122:6;123:5;124:3;125:5;126:6;127:8;128:5;129:5;130:5;131:5;132:5;133:5;134:5;135:5;136:0;137:0;138:0;END;

設計關鍵1：存儲和讀音符模塊項目2：音樂播放器的設計4-5樂曲硬件演奏電路設計ROM27項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYNoteTabsISPORT(clk :INSTD_LOGIC;ToneIndex :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));END;ARCHITECTUREoneOFNoteTabsISCOMPONENTMUSIC--音符數(shù)據(jù)ROMPORT(address :INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);clock :INSTD_LOGIC;q :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDCOMPONENT; SIGNALCounter:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk,Counter)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIFCounter=138THENCounter<="00000000";ELSECounter<=Counter+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;u1:MUSICPORTMAP(address => Counter, clock => clk, q => ToneIndex);END;設計關鍵1：存儲和讀音符模塊項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵128項目2：音樂播放器的設計設計關鍵2：頻率轉(zhuǎn)換模塊LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYToneTabaISPORT(Index : INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0); CODE : OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0); HIGH : OUTSTD_LOGIC; en : OUTSTD_LOGIC; div_num : OUT integerrange0to4095);END;CASEIndexIS--譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預置數(shù)WHEN"0001"=>div_num<=2867;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='0';--中音1，523.25 Hz;WHEN"0010"=>div_num<=2554;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='0';--中音2，587.33 Hz;WHEN"0011"=>div_num<=2275;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='0';--中音3，659.26 Hz;WHEN"0100"=>div_num<=2148;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='0';--中音4，698.46 Hz;WHEN"0101"=>div_num<=1913;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='0';--中音5，783.99 Hz;WHEN"0110"=>div_num<=1705;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='0';--中音6，880 Hz;WHEN"0111"=>div_num<=1519;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='0';--中音7，987.77 Hz;WHEN"1000"=>div_num<=1433;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--高音1，1046.5 Hz;WHEN"1001"=>div_num<=1277;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='1';--高音2，1174.66 Hz;WHEN"1010"=>div_num<=1138;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='1';--高音3，1318.51 Hz;WHEN"1011"=>div_num<=1074;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='1';--高音4，1396.91 Hz;WHEN"1100"=>div_num<=957;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='1';--高音5，1567.98 Hz;WHEN"1101"=>div_num<=852;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='1';--高音6，1760 Hz;WHEN"1110"=>div_num<=759;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='1';--高音7，1975.53 Hz;WHEN"1111"=>div_num<=672;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--高高音1，2200 Hz;WHENothers=>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0'; --不響ENDPROCESS;END;

項目2：音樂播放器的設計設計關鍵2：頻率轉(zhuǎn)換模塊LIBRAR29項目2：音樂播放器的設計設計關鍵3：數(shù)控分頻模塊LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYSpeakeraISPORT(CLK_1500kHz :INSTD_LOGIC;EN :INSTD_LOGIC;div_num :INintegerrange0to4095;Speaker :OUTSTD_LOGIC);END;ARCHITECTUREoneOFSpeakeraISBEGINPROCESS(CLK_1500kHz,EN)VARIABLECQI:integerrange0to4095;VARIABLESpeaker_reg:STD_LOGIC;BEGINIFCLK_1500kHz'EVENTANDCLK_1500kHz='1'THEN --檢測時鐘上升沿IFEN='1'THEN --檢測是否允許計數(shù)（同步使能）IFCQI=0THENCQI:=div_num/2-1;Speaker_reg:=notSpeaker_reg;ELSECQI:=CQI-1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;Speaker<=Speaker_reg;ENDPROCESS;END;項目2：音樂播放器的設計設計關鍵3：數(shù)控分頻模塊LIBRAR30項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分頻模塊請寫出對應的元件例化語句設計關鍵4：組合子模塊，生成songer模塊項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分31項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分頻模塊設計關鍵4：組合子模塊，生成songer模塊項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分32項目2：音樂播放器的設計設計關鍵5：分頻模塊，產(chǎn)生4Hz和1.5MHz時鐘信號項目2：音樂播放器的設計設計關鍵5：分頻模塊，產(chǎn)生4Hz和133項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;--分頻模塊，從20MHz到4HZ和1.5MHzUSEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYfreq_divIS

PORT(CLK_30MHz :INSTD_LOGIC;CLK_4Hz :outSTD_LOGIC;CLK_1500kHz :outSTD_LOGIC);END;ARCHITECTUREoneOFfreq_divIS

signaldivider,divider1 : integerrange0to187500;

signalCLK_1500kHz_tmp : STD_LOGIC;

signalCLK_4HZ_tmp : STD_LOGIC;beginCLK_1500kHz<=CLK_1500kHz_tmp;

process(CLK_30MHz)

begin

if(CLK_30MHz'eventandCLK_30MHz='1')then

ifdivider=9thendivider<=0;CLK_1500kHz_tmp<=notCLK_1500kHz_tmp;

elsedivider<=divider+1;

endif;

endif;

endprocess;設計關鍵5：分頻模塊，產(chǎn)生4Hz和1.5MHz時鐘信號項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;--分頻34項目2：音樂播放器的設計CLK_4HZ<=CLK_4HZ_tmp;

process(CLK_1500kHz)

begin

if(CLK_1500kHz'eventandCLK_1500kHz='1')then

ifdivider1=187499thendivider1<=0;CLK_4HZ_tmp<=notCLK_4HZ_tmp;

elsedivider1<=divider1+1;

endif;

endif;

endprocess;end;設計關鍵5：分頻模塊，產(chǎn)生4Hz和1.5MHz時鐘信號項目2：音樂播放器的設計CLK_4HZ<=CLK_435EDA技術及其應用第4章應用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)

EDA技術及其應用第4章應用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)36項目1：電子琴的設計設計目標：設計一個電子琴，具有8個按鍵，當按下某一個按鍵的時候，能夠演奏8個音符之一：

1、2、3、4、5、6、7、H1視頻演示知識點：熟練掌握計數(shù)器的設計方法；熟練掌握可變分頻器的設計方法；熟練掌握IF語句的使用；熟練掌握CASE語句的使用；項目1：電子琴的設計設計目標：37項目1：電子琴的設計項目分析：設計問題1：如何發(fā)出不同音調(diào)的聲音？設計關鍵1：可變分頻器/

數(shù)控分配器。項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵1：38項目1：電子琴的設計項目分析：設計問題2：按下不同按鍵時，如何得到不同的分頻數(shù)？設計關鍵2：向可變分頻器（數(shù)控分配器）提供分頻數(shù)字，需要一個“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。．．．18?項目1：電子琴的設計項目分析：．．．18?39項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵1：

可變分頻器（數(shù)控分配器）！項目1：電子琴的設計項目分析：40項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCNT10IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);ENDCNT10;知識回顧：10進制計數(shù)器設計項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;知識回顧：1041項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOFCNT10ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IFCNTI<9THEN--檢測是否小于9

CNTI:=CNTI+1;--小于9，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>‘0’);--大于等于9，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;

END

IF;

IFCNTI=9THENCOUT<=‘1’;--計數(shù)等于9，輸出進位信號

ELSECOUT<='0';

END

IF;CNT<=CNTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

知識回顧：10進制計數(shù)器設計項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO42仿真結果：10進制計數(shù)器設計結論：計數(shù)器就可以完成分頻器的任務！項目1：電子琴的設計仿真結果：10進制計數(shù)器設計結論：項目1：電子琴的設計43項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY

CNT_N

IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;

N :INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);END

CNT_N;設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵：N進44項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOF

CNT_N

ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IF

CNTI<N-1

THEN--檢測是否小于N-1

CNTI:=CNTI+1;--小于N-1，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>'0');--大于等于N-1，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;

END

IF;

IF

CNTI=N-1

THENCOUT<='1';--計數(shù)等于N-1，輸出進位信號

ELSECOUT<='0';

END

IF;CNT<=CNTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO45設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器結論：COUT實現(xiàn)了N分頻，但是占空比是1/N，能量不足，無法驅(qū)動蜂鳴器工作。N分頻，占空1/N項目1：電子琴的設計設計關鍵：N進制計數(shù)器設計——可變分頻器結論：N分頻，占空146項目1：電子琴的設計LIBRARY

IEEE;USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY

CNT_N

IS

PORT

(CLK,RST,EN:IN

STD_LOGIC;

N :INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

CNT :OUT

STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT :OUT

STD_LOGIC

);END

CNT_N;設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵：47項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavOF

CNT_N

ISBEGIN

PROCESS(CLK,RST,EN)

VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);

BEGIN

IFRST='1'THEN

CNTI:=(OTHERS=>'0');--計數(shù)器異步復位

ELSIFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN--檢測時鐘上升沿

IFEN='1'THEN--檢測是否允許計數(shù)（同步使能）

IF

CNTI<N-1

THEN

CNTI:=CNTI+1;--小于N/2，允許加1計數(shù)

ELSECNTI:=(OTHERS=>'0');--大于等于N/2，計數(shù)值清零

END

IF;

END

IF;END

IF;IF

CNTI<CONV_INTEGER(N)/2

THENCOUT<=‘0';

ELSECOUT<=‘1';

END

IF;CNT<=CNTI;COUT<=COUTI;--將計數(shù)值向端口輸出

END

PROCESS;ENDbehav;

設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREbehavO48占空比非50%占空比接近50%結論：COUT實現(xiàn)了N分頻，當N比較大時，占空比是接近50%，能量足以驅(qū)動蜂鳴器工作。設計關鍵：改進的N進制計數(shù)器——可變分頻器COUT占空比50%項目1：電子琴的設計占空比非50%占空比接近50%結論：設計關鍵：項目1：電子琴49項目1：電子琴的設計項目分析：設計關鍵2：向可變分頻器（數(shù)控分配器）提供分頻數(shù)字，需要一個“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計項目分析：50項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYconverterIS

PORT

(

key:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);

en:OUTSTD_LOGIC;

div_num:OUTintegerrange0to4095;

CODE:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);

HIGH:OUTSTD_LOGIC

);END

entityconverter;設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵2：51項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREoneOFconverterIS

BEGIN

PROCESS(converter)

BEGIN

CASEkeyIS--譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預置數(shù)

WHEN"00000000"=>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0‘;--不按鍵，0Hz，不響

WHEN"00000001"=>div_num<=2867;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='0';--按鍵1，中音1，523.25Hz;

WHEN"00000010"=>div_num<=2554;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='0';--按鍵2，中音2，587.33Hz;

WHEN"00000100"=>div_num<=2275;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='0';--按鍵3，中音3，659.26Hz;

WHEN"00001000"=>div_num<=2148;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='0';--按鍵4，中音4，698.46Hz;

WHEN"00010000"=>div_num<=1913;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='0';--按鍵5，中音5，783.99Hz;

WHEN"00100000"=>div_num<=1705;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='0';--按鍵6，中音6，880Hz;

WHEN"01000000"=>div_num<=1519;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='0';--按鍵7，中音7，987.77Hz;

WHEN"10000000"=>div_num<=1433;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--按鍵8，高音1，1046.5Hz;

WHENothers =>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0';--同時按多個鍵，0Hz，不響ENDCASE;

ENDPROCESS;ENDone;設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計ARCHITECTUREoneOF52項目1：電子琴的設計設計關鍵2：

“按鍵”到“分頻數(shù)”的轉(zhuǎn)換模塊。項目1：電子琴的設計設計關鍵2：53設計關鍵3：

在頂層原理圖中組裝各個功能模塊。項目1：電子琴的設計思考：原理圖作為頂層設計文件有什么優(yōu)點和缺點？如何使用“元件例化”語句完成模塊調(diào)用和信號線連接，頂層程序設計怎樣設計？VHDL程序作為頂層設計有什么優(yōu)缺點？設計關鍵3：項目1：電子琴的設計思考：544.31位全加器的VHDL描述

4.3.1半加器描述LIBRARY

IEEE;--1位二進制全加器頂層設計描述USE

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYf_adderIS

PORT(ain，bin，cin:IN

STD_LOGIC;cout，sum:OUT

STD_LOGIC);END

ENTITYf_adder;ARCHITECTUREfd1OFf_adderIS

COMPONENTh_adder--調(diào)用半加器聲明語句

PORT(a，b:IN

STD_LOGIC;co，so:OUT

STD_LOGIC);

ENDCOMPONENT；

COMPONENTor2a

PORT(a，b:IN

STD_LOGIC;c:OUT

STD_LOGIC);

ENDCOMPONENT；SIGNALd，e，f:STD_LOGIC;--定義3個信號作為內(nèi)部的連接線。BEGINu1:h_adderPORTMAP(a=>ain，b=>bin，co=>d，so=>e);--元件例化語句u2:h_adderPORT

MAP(a=>e，b=>cin，co=>f，so=>sum);u3:or2aPORT

MAP(a=>d，b=>f，c=>cout);END

ARCHITECTUREfd1;

4.31位全加器的VHDL描述4.3.1半加器描述55項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IF語句的使用；CASE語句的使用；計數(shù)器的設計；可變分頻器的設計；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：56項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IF語句的使用；IF語句既可以描述組合電路，也可以描述時序電路；完整條件IF語句用來描述組合電路；

IFs='0'THENy<=a;ELSE

y<=b;END

IF;IFCLK'EVENT

ANDCLK='1'THEN

CNT<=CNT+1;END

IF;不完整條件IF語句用來描述時序電路；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：IFs='0'57項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：CASE語句的使用；CASE語句最適合于描述譯碼器電路；不完整的CASE語句會生成不必要的鎖存器；

CASEkeyIS--譯碼電路，查表方式，控制音調(diào)的預置數(shù)

WHEN"00000000"=>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0‘;--不按鍵，0Hz，不響

WHEN"00000001"=>div_num<=2867;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='0';--按鍵1，中音1，523.25Hz;

WHEN"00000010"=>div_num<=2554;en<='1';CODE<="0010";HIGH<='0';--按鍵2，中音2，587.33Hz;

WHEN"00000100"=>div_num<=2275;en<='1';CODE<="0011";HIGH<='0';--按鍵3，中音3，659.26Hz;

WHEN"00001000"=>div_num<=2148;en<='1';CODE<="0100";HIGH<='0';--按鍵4，中音4，698.46Hz;

WHEN"00010000"=>div_num<=1913;en<='1';CODE<="0101";HIGH<='0';--按鍵5，中音5，783.99Hz;

WHEN"00100000"=>div_num<=1705;en<='1';CODE<="0110";HIGH<='0';--按鍵6，中音6，880Hz;

WHEN"01000000"=>div_num<=1519;en<='1';CODE<="0111";HIGH<='0';--按鍵7，中音7，987.77Hz;

WHEN"10000000"=>div_num<=1433;en<='1';CODE<="0001";HIGH<='1';--按鍵8，高音1，1046.5Hz;

WHENothers =>div_num<=0;en<='0';CODE<="0000";HIGH<='0';--同時按多個鍵，0Hz，不響ENDCASE;項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：CASEkey58項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：計數(shù)器的設計；可變分頻器的設計；項目1：電子琴的設計總結知識點回顧：59項目2：音樂播放器的設計設計目標：設計一個音樂播放器，可以播放一首歌曲；拓展設計：設計一個音樂播放器，可以播放多首歌曲；具有“播放/停止”、“暫停播放”和2個按鍵；當?shù)谝淮伟聪隆安シ?停止”按鍵的時候，能夠重頭開始演奏一首動聽的樂曲，第二次按下鍵，就停止播放；當按下“暫停播放”按鍵的時候能夠在暫停演奏和繼續(xù)演奏之間切換；項目2：音樂播放器的設計設計目標：60項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分頻模塊項目2：音樂播放器的設計存儲和

讀音符模塊頻率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)控分61項目2：音樂播放器的設計4-5樂曲硬件演奏電路設計

ROM中的數(shù)據(jù)文件music.mifWIDTH=4;--“梁?！睒非葑鄶?shù)據(jù)DEPTH=256;ADDRESS_RADIX=DEC;DATA_RADIX=DEC;CONTENTBEGIN--注意實用文件中要展開以下數(shù)據(jù)，每一組占一行00:3;01:3;02:3;03:3;04:5;05:5;06:5;07:6;08:8;09:8;10:8;11:9;12:6;13:8;14:5;15:5;16:12;17:12;18:12;19:15;20:13;21:12;22:10;23:12;24:9;25:9;26:9;27:9;28:9;29:9;30:9;31:0;32:9;33:9;34:9;35:10;36:7;37:7;38:6;39:6;40:5;41:5;42:5;43:6;44:8;45:8;46:9;47:9;48:3;49:3;50:8;51:8;52:6;53:5;54:6;55:8;56:5;57:5;58:5;59:5;60:5;61:5;62:5;63:5;64:10;65:10;66:10;67:12;68:7;69:7;70:9;71:9;72:6;73:8;74:5;75:5;76:5;77:5;78:5;79:5;80:3;81:5;82:3;83:3;84:5;85:6;86:7;87:9;88:6;89:6;90:6;91:6;92:6;93:6;94:5;95:6;96:8;97:8;98:8;99:9;100:12;101:12;102:12;103:10;104:9;105:9;106:10;107:9;108:8;109:8;110:6;111:5;112:3;113:3;114:3;115:3;116:8;117:8;118:8;119:8;120:6;121:8;122:6;123:5;124:3;125:5;126:6;127:8;128:5;129:5;130:5;131:5;132:5;133:5;134:5;135:5;136:0;137:0;138:0;END;

設計關鍵1：存儲和讀音符模塊項目2：音樂播放器的設計4-5樂曲硬件演奏電路設計ROM62項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYNoteTabsISPORT(clk :INSTD_LOGIC;ToneIndex :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));END;ARCHITECTUREoneOFNoteTabsISCOMPONENTMUSIC--音符數(shù)據(jù)ROMPORT(address :INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);clock :INSTD_LOGIC;q :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDCOMPONENT; SIGNALCounter:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk,Counter)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIFCounter=138THENCounter<="00000000";ELSECounter<=Counter+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;u1:MUSICPORTMAP(address => Counter, clock => clk, q => ToneIndex);END;設計關鍵1：存儲和讀音符模塊項目2：音樂播放器的設計LIBRARYIEEE;設計關鍵163項目2：音樂播放器的設計設計關鍵2：頻率轉(zhuǎn)換模塊LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYToneTabaISPORT(Index : INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0); CODE : OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0); HIGH : OUTSTD_LOGIC; en : OUTSTD_LOGIC; div_num : OU