数字电子技术基础 第11章

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1、第11章VHDL数字系统设计实例11.1数字系统设计简介11.2数字系统设计实例11.1数字系统设计简介11.1.1数字系统的基本结构数字系统由若干个数字电路和逻辑功能部件组成,它可以实现数据存储、传输和加工处理等复杂的逻辑功能。数字系统从逻辑上可划分为数据处理单元和控制单元两部分，其结构框图如图11.1.1所示。数据处理单元实现信息的存储、传输和加工处理等功能。控制单元根据外部控制信号和数据处理单元提供的当前状态信号，发出对数据处理单元的控制序列信号，在此控制序列信号的作用下，数据处理单元完成所规定的操作，并向控制单元输出变化后的状态信号

2、，以表示当前的工作状态和数据处理结果。控制单元接收到状态信号后，再发出下一步的控制序列信号，使数据处理单元执行新一轮的操作。图11.1.1数字系统的结构框图11.1.2数字系统的基本设计方法传统的数字系统设计多采用自底向上的方法，通常设计者选用标准的通用集成电路芯片和其他元器件，由底层逐级向上构成子系统和系统。其设计过程是：书面设计—硬件安装、调试—制作样机。这样设计的系统不仅所用元件的种类和数量多，功耗大，可靠性差，而且花费时间多，修改电路和交流设计思想都很不方便。EDA技术的发展和可编程逻辑器件的普及对数字系统硬件设计产生了很大的影响

3、，它改变了传统的设计思想，使人们可以利用EDA工具，通过芯片的设计来实现数字系统的功能。现代数字系统设计多采用自顶向下的方法。它是一种从抽象到具体，从高层次到低层次，逐步由粗到细的分层次、分模块的设计方法。设计者先将一个硬件系统划分成几个大的模块，设计出各大模块的行为（功能）或结构，并进行仿真以检验设计思想是否正确，然后将大的模块分给下一级设计者。由于自顶向下的设计能够在高层次完成，即一开始进行功能划分和结构设计时，就能通过仿真去检验系统设计思想是否正确，在早期就能发现设计中存在的错误，因而大大提高了系统的设计效率，缩短了设计周期。数字系统

4、设计主要分系统设计和逻辑设计两个阶段。数字系统的一般设计过程如下：(1)确定顶层系统的方案。这是设计过程的第一阶段，要求对设计任务进行透彻了解，并在此基础上决定设计任务和系统整体的功能、输入信号及输出信号。(2)描述系统功能，设计算法。描述系统功能是用符号、图形、文字、表达式等形式来正确描述系统应具有的逻辑功能和应达到的技术指标。设计算法是寻求一个解决问题的步骤，实质上是把系统要实现的复杂运算分解成一组有序进行的子运算。描述算法的工具有算法流程图、算法状态机图（ASM,AlgorithmicstateMachine）、方框图、硬件描述

5、语言等。在上述描述方法中，硬件描述语言是一种最容易向计算机输入，由计算机自动处理的现代化方法。方框图用于描述数字系统的模型，是系统设计常用的重要手段，它可以详细描述系统的总体结构，并作为进一步设计的基础。(3)根据算法选择电路结构。算法明确后，根据算法选择电路结构，并将系统划分为若干个子系统。若某部分规模仍然较大，则可进一步划分。划分后的多个部分应逻辑功能清楚，便于进行电路设计。(4)设计输入。描述系统功能的输入方式有多种，常用的有原理图输入法、硬件描述语言输入法、波形图输入法等。可以采用其中一种方法输入，也可以多种方法混合使用。(

6、5)设计验证（仿真、测试）和设计实现。11.2数字系统设计实例11.2.1简易电子琴1.系统原理框图扬声器在不同频率的信号驱动下将发出不同的声音。本设计是利用实验板上的8个按键产生不同的音阶信号，按键不同时，不同的音阶信号产生不同频率的信号去驱动扬声器，从而实现电子琴的功能。根据音乐学理论,每两个8度音之间可分为12个半音，每两个半音之间的频率相差(=1.0599Hz)。若C调第一个音名do的频率定为261.63Hz,则各音名与频率以及2MHz时钟的分频系数的关系如表11.2.1所示。表11.2.1音名与频率以及2MHz时钟的分频

7、系数的关系简易电子琴的系统框图如图11.2.1所示,它由键盘编码器和时钟分频器组成。键盘编码器产生按键编码信号；时钟分频器产生不同的分频系数，将输入时钟频率分频至各音名对应的频率值，从而驱动扬声器发出该频率的声音。图11.2.1电子琴系统框图图11.2.2电子琴顶层原理图图11.2.2为实现简易电子琴的顶层原理图。其中,KEYBOARD模块实现对键盘的8-3编码，K［7..0］为键盘输入,SEL［2..0］为3位二进制编码输出,EN为使能输出信号(高电平有效)；M—FREQ模块实现分频功能，CLK为时钟输入，当SEL［2..0］编码输入不同

8、，且EN输入为高电平时，分频器产生不同的频率值，当SPK输出为1时扬声器响，否则静音。2.模块设计1)键盘编码器VHDL描述文件keyboard.vhd如下：library