毕业设计论文简易计算器的PLD实现.doc
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1、毕毕业业设设计计(论论文文) 题目:题目: 简易计算器的简易计算器的 PLD 实现实现 本科毕业设计(论文)本科毕业设计(论文) 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) 简易计算机的 PLD 实现 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果,除了在毕 业设计(论文)中特别加以标注引用、表示致谢的内容外,本毕业设计 (论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级: 学 号: 作者姓名: 年 月 日 I xx 大大学学 xx 学学院院 机机 电电 系系 电电子子信信息息工工程程 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目
2、及专题:一、题目及专题: 、题目 简易计算器的 PLD 实现 、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 随着基于 PLD 的 EDA 技术的发展和应用领域的扩大与深入,EDA 技术 在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。随着技 术市场和人才市场对 EDA 的需求不断提高,本毕业设计课题就围绕此中心展 开工作。 三、本设计(论文或其他)应达到的要求:三、本设计(论文或其他)应达到的要求: 1两个无符号的 8 位二进制的相加; 2两个无符号的 8 位二进制的相减(被减数=减数); 3两个无符号的 4 位二进制的相乘; 四、接受任务学生:四、接受任务学生: 班班
3、姓名姓名 五、开始及完成日期:五、开始及完成日期: 自自 年年 月月 日日 至至 年年 月月 日日 II 六、设计(论文)指导(或顾问):六、设计(论文)指导(或顾问): 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 xxxx 年年 xx 月月 xx 日日 III 摘摘 要要 电子设计自动化(EDA)的实现是与 CPLD/FPGA 技术的迅速发展息息相关的。 CPLD/FPGA 是 80 年代中后期出现的,其特点是具有用户可编程的特性。利用 PLD/FPGA,电子系统设计工程师可以在实验室中设计
4、出专用 IC,实现系统的集成,并且 具有静态可重复编程或在线动态重构特性,使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改, 极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。 近年来,电子技术飞速发展,数字电路中 PLD(可编程逻辑器件)是目前应用最灵活 的器件,而 MAX + PLUS(复阵列矩阵及可编程逻辑用户系统)是专为开发 74 等系列器 件的软件中最成熟,功能最全面,适用范围非常广泛的软件之一。本次设计主要采用 74 系列器件,在 MAX + PLUS中完成电路的设计和完善,并在此软件中进行仿真,设计 者可以直观地测试其逻辑功能及性能指标。 关键词:关键词:自动化;可编程逻辑器件;复阵列矩阵及可编程逻
5、辑用户系统 IV Abstract Electronic design automation(EDA) realization and the fast development of CPLD/ FPGA technique are vitally related. CPLD/FPGA arises from the middle and later stage of 80 age, whose feature is having user programmable character. Using CPLD/FPGA, electronic system design engineers c
6、an design dedicated IC in the laboratory so that realize systematic integration, and it has static repeatedly programmable and online dynamic rebuilded character, and makes the function of hardware can amend by programming like software, which improves the flexibility and universal ability of electr
7、onic system vastly. In recent years, electronic technique has developed fast, in digital circuit PLD(Programmable Logic Device) application is the most flexible device now, but MAX + PLUS(plural array matrix and programmable logic user system)is one of the maturest, the most overall functional softw
8、are whose suitable range is very widespread. This design mainly uses 74 series of device to complete the design and improvement of circuit in MAX + PLUS,and simulates in this software, the designer can test its logic function and performance index ocularly. Key words: automation; Programmable Logic
9、Device; plural array matrix and programmable logic user system V 目目 录录 1 绪论1 1.2 PLD 的发展史1 1.3 PLD 的分类.2 1.4 各类 PLD 的结构及特点.2 1.4.1 PAL 器件3 1.4.2GAL 器件3 1.4.3 FPGA.3 1.5 PLD 设计步骤3 1.5.1 设计构思4 1.5.2 选择器件型号4 1.5.3 列写源文件.4 1.5.4 对器件编程.4 1.6 MAXPLUS软件相关介绍.4 1.7 本文的目的5 2 分析与设计6 2.1 课题内容.6 2.2 总体设计.6 2.2.1
10、 总体设计思路6 VI 2.2.2 总体设计框图6 2.3 单元电路设计7 2.3.1 输入部分7 2.3.2 加/减法器部分.11 2.3.3 乘法器部分.17 2.3.4 显示输出部分18 2.4 整体电路的设计.18 2.5 VHDL 语言21 3 结论与展望23 3.1 结论23 3.2 不足之处及对未来的展望.23 致 谢24 参考文献25 附 录26 简易计算机的 PLD 实现 1 1 绪论绪论 当今世界,科学技术飞速发展,电子产品日新月异,新的器件不断涌现。仅就逻辑 器件这一小小的“家族”而言,短短儿十年的时间就己经发生了翻天覆地的变化,从每 片只有儿十个组件的小规模逻辑集成电路
11、发展到在一块不到几个mm2的芯片上就拥有十 几万、几十万甚至更多组件的大规模和超大规模集成电路,而且器件的性能始终在飞速 提高,而价格却在急剧下降。与此同时,大批新结构、新工艺、新功能的新型产品也在 不断投放市场。可编程逻辑器件(PLD)就是逻辑器件这一“家族”中的一个别具特色的 新成员。 1.1 PLD概论概论 在微处理器及内存等方面,已有了超大规模集成电路(VLSI) ,在逻辑器件方面出现 了专用集成电路 ASIC 芯片,作为 ASIC 一个分支的可编程逻辑器(PLD)是近几年发展 起来的一种实用硬件技术。它属于集成电路的一种,具有集成度高、成本低、设计灵活 和保密性好等特点,现已广泛应用
12、于计算机、通信、信号处理、工业控制等方面。 在我国随着改革开放的步伐加快和经济建设的迅速发展,对PLD器件的需求已越来越 大。PLD几乎能满足数字系统和自动控制系统等各方面的要求,小至编码器,译码器,计 数器以及寄存器等各种组合电路和时序电路;大至微处理器系统、存储控制、图形图像 处理系统、总线接口、通信、外围设备、工业控制以及军用系统等,PLD都显示出良好的 适应性。我国ASIC的设计和生产能力都比较薄弱,而绝大多数电子产品的密度和速度不 是太高,批量也比较小。因此,广泛使用PLD器件是非常适合提高我国电子产品性能和竞 争能力的主要技术措施之一,应当大力普及推广。 1.2 PLD的发展史的发
13、展史 历史上,可编程逻辑器件经历了从PROM、P LA、P AL、G AL、E PLD、C PLD和 FPGA等的发展过程,在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面都有很大的改进 和提高。 可编程逻辑器件大致的演变过程如下: 1.七十年代,熔丝编程的PROM和PAL器件是最早的可编程逻辑器件。 2.七十年代末,AMD公司开始推出PAL器件。 3.八十年代初,Lattice公司发明可电擦写的、比PAL使用更灵活的GAL器件。 4.八十年代中期,Xilinx公司提出现场可编程概念,同时生产了世界上第一片FPGA器 件。同一时期,Altera公司推出EPLD器件,较GAL器件有更多的集成度,可以
14、用紫外线 或电擦除。 xx 大学学士学位论文 2 5.八十年代末,Lattice公司又提出在系统可编程技术,并且推出了一系列具备在系统 可编程能力的CPLD器件。 6.进入九十年代后,可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时期。 1.3 PLD 的分类的分类 可编程逻辑器件种类较多,工艺上采用CMOS, TTL , ECL技术,并不断向更高速、更 高密度、更强功能、更灵活的方向发展。可编程逻辑器件PLD主要有以下几种: 可编程只读存储器PROM (Programmable Read Only Memory) ; 可编程逻辑数组PLA (Programmable Logic Array); 可编程数
15、组逻辑PAL (Programmable Array Logic); 通用数组逻辑 GAL (Generic Array Logic) ; 现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array); 其它可编程逻辑器件,如可编程逻辑时序机PLS、可编程多路转接器PMUX、可编程 二极管矩阵PDM等。 它们之间的关系可见图1.1: 图1.1 几种PLD的相互关系 集成度是集成电路的一项重要指标,如果从集成度上分类,可分为低密度可编程逻 辑器件(LDPLD)和高密度可编程逻辑器件(LDPLD)。历史上,GAL22VIO是简单PLD和复 杂PLD的分水岭,一般也按照GA
16、L22VIO芯片的容量区分为LDPLD和HDPLD. CAL22VIO 的集成度根据制造商的不同,大致在500门/750门之Ifb1。如果按照这个标准,PROM, PLA, PAL, GAL器件属于低密度可编程逻辑器件,而EPLD, CPLD和FPGA属于高密度可编 程逻辑器件, 简易计算机的 PLD 实现 3 1.4 各类各类PLD的结构及特点的结构及特点 1.4.1 PAL器件器件 PAL是一种现场可编程的阵列逻辑器件,其内部由“与”阵列和“或”阵列两部分组 成,“与”阵列的输出是“或”阵列的输入信号,“与”阵列可编程而“或”阵列固定。 PAL器件在逻辑设计中具有以下优点: 可编程取代传统
17、的逻辑器件,减少器件数目至少四倍,从而节省空间;加快和简化了 原始样机设计和电路布线过程,采用TTL,ECL,CMOS三种不同工艺制造,满足不同要求, 利于提高系统速度,具有可编程三态门;可由PROM编程器编程,特殊措施防止非法复制, 即加密PAL器件,将保密熔丝烧断后,不能读出内部阵列码点。 可是PAL器件的输出方式是由器件类别决定的,不可以编程组态,并且只有CMOS工 艺的PAL器件才可采用紫外线或电擦除。 1.4.2GAL器件器件 GAL器件是在PAL基础上发展起来的,其结构仍是可编程的“与”阵列驱动固定的 “或”阵列,只是所有GAL器件的输出端都有输出逻辑宏单元OLMC (Output
18、 Logic Macro Cell)的结构,正是这个结构决定了GAL器件可重组态的功能。 GAL器件继承了PAL可编程的特点,同时还具有自己独特的优点:GAL器件采用高速 电可擦除CMOS工艺制造,可最大程度地提供可测试功能以及生产工艺质量,它的随时可 擦除性最适合样机的研制和错误的修改;GAL器件的CMOS低功耗使系统的温度低、高性 能持久,并使得电路设计可以有较高的功能集成度,从而芯片数、印制板尺寸大大减小, GAL器件速度不低于除ECL电路之外的任何工艺生产的器件速度,GAL器件的输出逻辑 宏单元OLMC利于用户按需要对输出组态以实现所要求的功能和结构,GAL器件具有保密 性。 其缺点是
19、:集成度不高(含200-300个门),1/0管脚数少。 1.4.3 FPGA FPGA是门阵列技术和可编程逻辑器件技术发展的结果,目前有Xilinx, Altera, Actel、Sign.tics四大公司的产品,他们分别采用不同的体系结构、工艺技术和编程方法, 其中Xilinx公司的可编程逻辑单元阵列LCA (Logic Cell Array)是目前FPGA市场上的主流产 品。 FPGA的结构类似于通常的门阵列结构,其中心部分是由可编程的逻辑单元块 CLB(Configurable Logic Blocks)组成的矩阵区,芯片四周为可编程输入输出块IOB (Input / Out-put B
20、locks),在CLB行列之间以及CLB和LOB之间为可编程的互连资源ICR xx 大学学士学位论文 4 (Interconnect Resource)。 1.5 PLD设计步骤设计步骤 PLD就其设计方法而言,借助于高级设计语言,比中小规模的逻辑电路设计要简单灵 活得多。设计的产品结构紧凑、体积小、可靠性高,所以,PLD是研制新产品和改造旧设 备的最佳选择器件。 1.5.1 设计构思设计构思 将所要设计的逻辑问题变换成设计文木。逻辑描述可采用真值表。逻辑方程以及状 态图等形式。只要用其中的一种方式表示就可以了,不必全部列出,用哪种方式简单就 用哪种。所得到的逻辑函数不必化简,留给计算机去完成
21、。这一步的关键就是要求正确 地表示出逻辑函数的输出与输入的逻辑关系。 1.5.2 选择器件型号选择器件型号 根据设计文本的要求选择合适的器件型号,主要注意器件输出端和输入端的个数以 及输出端的性质(组合输出还是寄存器输出以及输出极性等)是否满足要求。 1.5.3 列写源文件列写源文件 将设计文本按照所应用的设计语言的语句和格式写成源文件,上机进行化简,仿真 与测试。在这里可以反复修改源文件,直到满意为止。必要时还可以更改器件型号。 1.5.4 对器件编程对器件编程 将计算机生成的编程檔下载到编程器对器件编程。在这时所选择的器件,是你最乏 设计器件,除了与源文件所要求的型号相同外,还要考虑到其它
22、技术条件是否满足要求。 比如转换速度,功率损耗,温度以及电气特性等。可以查阅器件手册,选择所要求的不 同档次的器件。 以上设计步骤,并不是不可改变的。当设计水平提高后,可以融会贯通。在设计构 思时可以直接用设计语言的语句和格式,写成源文件。将减少好多重复性工作。1 1.6 MAXplus软件相关介绍软件相关介绍 传统的数字电路实验设计一般采用从局部到整体 的方式,由一些功能单一的器件加 上一定的外围电路构成模块,再由这些模块进一步形成各种功能电路。基本器件是各种 简易计算机的 PLD 实现 5 标准芯片,如 74 系列 TTL) 1000/2000 系列(COM S)芯片,实验时只能根据需要从
23、中选择 最合适的,再按照事先设计好的电路搭成,不但实验成本高,灵活性也很小,复杂的电 路设计就更困难了。 近年来,电子技术飞速发展,新的电子器件也层出不穷,数字电路中 PLD 可编程序 逻辑部件)是目前应用最灵活的器件,而 MAX + PLUS复阵列矩阵及可编程逻辑用户系 统)是专为开发这一系列器件的软件中最成熟,功能最全面,适用范围非常广泛的软件之 一,是广大数字系统设计工程师得力的开发工具。 MAX + PLUS是美国 Alte。公司研制的一种软件开发系统,它为用户开发、使用该 公司生产的 CPLD 器件提供一个基于计算机的软件开发与操作平台。 MAX + PLUS由逻辑设计输入、设计处理
24、、设计校验、下载编程四大部分组成。其 主要功能与特点为: (1)设计输入、处理、编译、校验、仿真、下载全部集成在统一的开发环境中,易学 易用。 (2)设计环境与芯片或结构无关,简化了开发、设计过程。 (3)有丰富的模块化设计工具和器件库。 (4)支持硬件描述语言(AHDL, VHDL 等)。 (5)提供 Megaco 系统级功能。 (6)具有内核开放功能,允许用户添加宏函数。 用软件 MAX + PLUS设计电路的一般过程如图 1.2: 图 1.2 MAX + PLUS设计电路的流程图 次化设计是指对于一个系统设计任务,将任务层层分解,在各个层次上分别设计的 方法。在 MAX + PLUS中,
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