湖南科技大学信息与电气工程学院

《VHDL语言》

课程设计报告

题    目：    VHDL语言课程设计  

专    业：              

班    级：                  

姓    名：               

学    号：             

课程设计任务书

一、   课程设计的目的：

1，通过本次课程设计，熟练掌握MAX-PLUS2的应用，操作，并对VHDL语言的编程做一实践检验，编出程序，并进行仿真，并根据所得仿真图形分析和推断并改进所涉及的程序，让程序在现实生活中得以更贴近的应用。

2，本次操作的命题一是：循环彩灯控制器，本设计的要求是：设计一个循环彩灯控制器，该控制器控制红，绿，黄三个发光管循环点亮。要求红发光管亮3秒，绿发光管亮2秒，黄发光管亮1秒。

3，本次操作的命题二是：数字显示的秒表，本设计的要求是：设计一块用数码管显示的秒表，能够准确的计时并显示。最大计时为59秒，最小精确到0.1秒。

二、设计方案的论证：

命题一循环彩灯控制器的方案一：在本题中要求控制器可以控制红，绿，黄三个发光管循环点亮，并且要求发光的时间不一样，这样，本质设计思想是循环累加，即时钟信号高电平开始，m值开始累加，

CASE m IS

         WHEN "001"=>dout<="100";

         WHEN "010"=>dout<="100";

         WHEN "011"=>dout<="100";

         WHEN "100"=>dout<="010";

         WHEN "101"=>dout<="010";

         WHEN "110"=>dout<="001";

         WHEN OTHERS=>dout<="111";

     END CASE;

前三个值都将赋值给dout1，也就是红灯发光的三秒，然后两个赋值给绿灯，最后一秒赋值给黄灯。这样，dout的不同值将点亮不同颜色的灯，下面是表示三种灯的点亮程序。

red<=dout(2);

    green<=dout(1);

    yellow<=dout(0);

以此类推，我们可以实现三个彩灯不同时间的循环点亮。

真值表如下：

   命题一循环彩灯控制器方案二：根据题目要求，可以设计一个计数器来实现，在开始计数前，我们采用计数器将每一个数字进行技术，然后再根据不同的点亮时间一次分派不同颜色的灯让他们显示。这样就需要编程三个进程，在需要依次肤质就可以达到效果。

综上两种方案：方案一，简单可行性好，容易理解，编程简单，使读者更容易懂，设计者也方便设计，而方案二也可以达到课设的要求，但是，有很多不足之处，编程繁琐，给设计者带来诸多不便，相对之下，还是选择第一种方案，

命题二数字显示的秒表设计方案，在设计过程中要求设计的秒表能够准确显示时间，最大计时为59秒，最小精确到0.1秒。通过分析，我们可以通过三个进程分别显示一个数字，每一个进程分别计数，因为在VHDL语言中，进程是同时进行的，只有在进程内部才是按照顺序进行的，所以，计数是同时进行的，我们可以通过采取计数的原理来实现秒表的显示，后面两位都是十进制，最前面的计数到5结束，在进行设计过程中考虑到实际现实中的应用，做了相应改进，我们可以通过一个时钟控制它无法显示到59.9秒的时候，然后重新开始，即复位，我们也可以在计数的时候按照我们的意愿让秒表暂停。这样设计更符合实际应用。

 命题二改进（1）：

  IF(CLR='1')THEN

OUT1<="0000";

遇到中途计数清零设计，我们可以通过对clr的控制来控制秒表的计数。

命题二改进（2）：

                        IF(START='1')THEN

OUT1<=OUT1+'0';

      增加这个程序段，我们可以中途暂停，如果不加，那么整个程序只能在到达计数末端才能清零，即每次都是从0到59.9秒的计数，但是增加该段，那么，我们就可以在0到59.9之间，任何一个时间点暂停，以供我们的需求。

三、设计仿真及结果分析：

命题一循环彩灯控制器：

根据程序调试仿真图如下：（仿真图中的us表示现实中表示s）

分析：从图形可以看出，清零端低电平，时钟信号上升沿时m值开始计数，随着m值的变化，彩灯的显示一块变化，图示显示，red灯点亮3秒，gree灯点亮2秒，yellow灯点亮1秒，整个周期是六秒一个循环，基本上实现了题目的要求。

命题二数字显示的秒表

数字显示秒表仿真结果如下：

仿真结果分析：

根据程序仿真，时钟上升沿开始计数，从图形可以看出，out1从1开始计数到9，然后循环继续重复上述计数，在out1计数到9的时候，现实中，应给out2开始计数，从图形来看，符合实际应用，当out2 计数到9的时候，out3开始计数，也就是说，每一个都符合计数的要求和现实生活的应用。但是这样只能计数从0开始到59.9秒，符合题目的要求，但是，在现实中，我们需要一个多用的计数器，所以，进行了改进，我们可以根据需要，让秒表停到我们需要的数字，这样便于应用，而且，我们在没计数到59.9秒的时候进行清零，这样我们更贴切生活的应用。

上述的仿真结果分析：处理在前面的计数和正常显示外，从图上我们可以看出，当CLR为高电平时，所有计数都清零，从新开始计数，在START为高电平时，计数暂停在该点，也符合我们日常生活的应用。这样就解决了前面遇到的问题。

四、设计及仿真中的体会。

这次课程设计中，我们不但学习了max plus 软件的应用，而且巩固了以前所学的理论知识，特别是VHDL语言的学习和编程，我们也学习了数电和电路的相关知识，也是一次很好的复习，也是一次很好的实践。下面就本次课程设计中遇到的问题和解决方案做一总结：

第一：初次接触max plus,刚开始的时候只是对软件的熟悉，通过老师的指导和书本的查阅，基本掌握该软件的简单应用。

第二：程序的编程和调试。我们在理论学习中就编程，所以，编程不会是很大的问题，但是以前只是理论上的编程，只是随着认得意识而编写的，所以，当我们编程完成以后开始调试的时候发现很多问题。在进行程序调试的时候首先发现了路径无法打开，进过老师的指导，结合理论知识的解释，我们做了很多改变开得以解决。其次，受C语言的影响，编程有些太复杂，出现特多警告，后来在老师的耐性指导和修改下，然后通过自己的思考将其改正。在调试的过程中还会出现很多很普通的错误，比如说，标点符号，定义变量名的时候出现了相当多的错误，这些只要编程序时细心认真就可以解决。
    第三：程序的仿真。程序的仿真应该说是这次课程设计中最有收获的，因为之前从没接触过，通过仿真，我们可以清楚的看出程序的应用，和相关需要出现的结果，还有一些我们在编程过程中的变量等等的显示，这样也有助于我们的程序编程的改进，贴别是在设计命题二的时候，只要仿真完就可以 发现问题，并及时修改，最后达到完美。

第四，程序优化，改进。在按照课题的设计过程中，发现，如果按照题目的要求设计，那么，这个硬件的设计太单一，而且在应用中不太理想，所以，就做了些许改进，命题二在题目的要求基础上，加了中途暂停和在没有计数满的情况下清零功能，这样，更符合实际的应用。

五、对本次课程设计的体会和建议：

   通过两周的紧张努力，我们成功完成了这次课程设计，我们不但学会了max plus软件的应用，而且复习了前面学过的很多理论知识，我们统筹兼顾的学习了理论和实践应用的区别，让我体会深刻的是，实践是检验整理的唯一标准，如果没有这次课程设计，就没法想到VHDL语言在我们学习和和生活中的重大应用，这将给我们一个很好的体会，给我们以后更好学习专业课程做了铺垫，也是我们将来工作的一个帮手。

     在这次课程设计中也有很多遗憾，所以通过这次课程设计我们可以做以下建议：首先，在正常的理论教学中，引导学生学习max plus软件的应用，在短时间的学习效果不是很好。二，希望有机会，我们可以再自己做好编程和调试的基础上做出实物，相信这样会有更好的收获。

六、参考文献：

参考书目：

【1】侯伯亨编，《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》，西安电子科技大学出版社，1999年版。

【2】邢建平 曾繁太编，《VHDL设计教程》，清华大学出版社，2005版

【3】刘凯，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科技大学出版社，2009.8

七、附录：

附录一  选题一源程序：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY caideng IS

PORT(clk,clr:IN STD_LOGIC;

     red,green,yellow:OUT STD_LOGIC);

END ENTITY caideng;

ARCHITECTURE xh_rtl OF caideng IS

SIGNAL dout:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);

SIGNAL m:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);

BEGIN

    red<=dout(2);

    green<=dout(1);

    yellow<=dout(0);

  PROCESS(clk) IS

  BEGIN

  IF(clr='1')THEN

     m<="001";

  ELSIF(clk'EVENT AND clk='1')THEN

     IF(m="110")THEN

        m<="001";

     ELSE

        m<=m+1;

     END IF;

     CASE m IS

         WHEN "001"=>dout<="100";

         WHEN "010"=>dout<="100";

         WHEN "011"=>dout<="100";

         WHEN "100"=>dout<="010";

         WHEN "101"=>dout<="010";

         WHEN "110"=>dout<="001";

         WHEN OTHERS=>dout<="111";

     END CASE;

     END IF;

   END PROCESS;

END ARCHITECTURE xh_rtl;

附录二  选题二源程序：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY miaobiao IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

     DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

     WR3,WR2,WR1,CLR,START:IN STD_LOGIC;

     DOUT3:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

     DOUT2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

     DOUT1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));

END ENTITY miaobiao;

ARCHITECTURE EXAMPLE OF miaobiao IS

     SIGNAL OUT3:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

     SIGNAL OUT2:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

     SIGNAL OUT1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

BEGIN

      DOUT3<=OUT3;

      DOUT2<=OUT2;

      DOUT1<=OUT1;

PROCESS(CLK) IS

BEGIN

      IF(CLR='1')THEN

OUT1<="0000";

ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN

      IF(START='1')THEN

OUT1<=OUT1+'0'; 

ELSIF(WR1='1')THEN

         OUT1<=DIN;

        ELSIF(OUT1="1001")THEN

         OUT1<="0000";

         ELSE

          OUT1<=OUT1+1;

      END IF;

    END IF;

  END PROCESS;

PROCESS(CLK) IS

BEGIN

    IF(CLR='1')THEN

OUT2<="0000";

ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN

           IF(START='1')THEN

OUT2<=OUT2+'0';

ELSIF(WR2='1')THEN

      OUT2<=DIN;

     ELSIF(OUT1="1001")THEN

    IF(OUT2="1001")THEN

      OUT2<="0000";

      ELSE

      OUT2<=OUT2+1;

    END IF;

   END IF;

 END IF;

END PROCESS;

PROCESS(CLK) IS

BEGIN

     IF(CLR='1')THEN

OUT3<="0000";

IF(CLK'EVENT AND CLK='1')THEN

            IF(START='1')THEN

OUT3<=OUT3+'0';

ELSIF(WR3='1')THEN

    OUT3<=DIN;

   ELSIF(OUT1="1001")THEN

     IF(OUT2="1001")THEN

       IF(OUT3="0101")THEN

         OUT3<="0000";

       ELSE

          OUT3<=OUT3+1;

       END IF;

      END IF;

    END IF;

  END IF;

 END PROCESS;

END ARCHITECTURE EXAMPLE;

第二篇：微机接口实验报告(循环彩灯)

目  录

第一章  需求分析

   1.1 设计目的..................................................................................................1

   1.2 设计任务与要求......................................................................................1

   1.3 软硬件运行环境及开发工具..................................................................1

第二章  概要分析

     2.1 总体方案与说明.......................................................................................2

   2.2 8255A芯片图............................................................................................3 

   2.3 循环彩灯流程图......................................................................................4

第三章 详细设计

     3.1 硬件设计与实现......................................................................................5

      3.2 实验电路图与说明...................................................................................6

      3.3 源程序代码...............................................................................................6

第四章 系统调试与操作说明

  4.1 系统调试...................................................................................................9

      4.2 操作说明...................................................................................................9

     第五章  总结体会  ............................................................................10

    参考文献......................................................................................................10

     

第一章：需求分析   

   1.1设计目的

   巩固和加深课堂所学知识；熟悉各种指令的应用及条件；

   学习掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用资料的能力；

   深入了解与掌握8255A在PC机系统的典型接法和8255A的工作方法及应用编程。

   1.2设计任务与要求

       任务：

        循环彩灯控制系统输出四种参考花型如下：数位为1时表示灯亮

1）00000001    左循环

2）10000000    右循环

3）按10000001，11000011，11100111，11111111    规律递增，

全亮后同时闪烁十次，循环不断。

4）按11110000，00001111      交替闪烁。

       要求：

         1．画出硬件原理图（接口芯片和外设部分）和实验连线图；

          2．功能要求：

              1）循环彩灯的循环速度可调；

2）按键要求

① 启动/暂停，按K0开关启动系统，按K1开关停止系统工作。

② 花型变换，由开关K2、K3进行四种花型切换；

  1.3软硬件运行环境及开发工具

   利用TDN86/88实验平台进行硬件电路的连接，在Wmd86软件下进行程序的调试，直   到使循环彩灯按照设计要求运行, 实验所使用的实验开发平台是Wmd86，使用的编程语言是汇编。

第二章：概要设计

   2.1 总体方案与说明

根据所学内容和对8255A的应用，整个系统硬件采用8086微处理器，和8255A可编程并行接口芯片和8个led彩灯。

Intel 8255A是一种通用的可编程并行接口芯片，由于它是可以编程的，可以通过程序来设置芯片的工作方式，通用性强，使用灵活，可为多种不同的CPU与外设之间提供并行输入/输出的通道；8086微处理器，选择最小工作模式，所有的总线控制信号均由8086产生；8086CPU的地址\数据总线AD15-AD0和地址\状态总线A16/S3-A19/S6是复用的，必须通过地址锁存器把地址总线和数据总线分离。

可编程并行通信接口芯片8255A：

    方式0为简单I/O，查询方式，端口A、端口B、端口C均可使用。

     方式1为选通I/O，中断方式，端口A、端口B可以使用，选通的输入/输出方式。

方式2为双向I/O，中断方式，只有端口A可以使用，双向的传输方式。

 三个8位端口PA、PB、PC

端口A(PA口)：有一个8位数据输入锁存器和一个8位数据输入锁存/缓冲器;

端口B(PB口)：有一个8位数据输入锁存器和一个8位数据输入/输出,锁存/缓冲器;

端口C(PC口)：有一个8位数据输入锁存器和一个8位数据锁存/缓冲器。

     通常PA口与PB口用作输入/输出的数据端口,PC口用作控制和状态信息端口。PC口可以分为两个四位的端口,每个端口包含一个四位锁存器,可分别同PA口和PB口配合使用,用作控制信号(输出)或作为状态信号(输入)。

     方式0也叫基本输入/输出方式。一种方式，不需要应答联络信号,端口A、端口B和端口C的高4位及低4位都可以作为输入或输出端口。方式0的应用场合有无条件传送和查询传送2种； 故根据我们系统设计的要求，综上可知，选择8255A为工作方式0。

然而8255A的3种基本工作方式：由方式选择控制字来决定，D7＝1（特征位）表明是设定方式选择控制字；D7=0，则表示是端口C按位置位/复位控制字；

 端口C分成高4位(PC7～PC4)和低4位(PC3～PC0)，可分别设置成输入端口或输出端口；端口C的高4位与端口A配合组成A组，端口C的低4位与端口B配合组成B组。

综上可得此系统需要满足A端口为输出，输出数据给到8个彩灯；端口C为输入，需要检测按键的输入情况。

 2.2 8255A芯片图    

如图所示：

 

 

        

 

  

 

                                 

                               

 2.3循环彩灯流程图

         图如下：

           

                                                                                 

 

       

              

      这个实验我是采用K0K1来空间开关的开合关的，用K2K3来切换彩灯花型的变化，上面流程图清楚的表达了整个实验的实现过程。

第三章：详细设计

   3.1硬件设计与实现

8255A的数据线，片选信号，地址线，读写控制线等与系统总线相连，CS与译码器的也相连，通过译码器连接到系统总线。电路使用共阳极接线发，提供低电平时发光二极管发光。通过软件向8255A中发送信号，启动系统，使彩灯实现循环的花形。再使开关可以控制彩灯在我们事先编译的花形中进行切换。k2和k3的状态为00则00000001左循环，k2和

k3的状态为01则执行10000000右循环，k2和k3的状态为10则执行按10000001， 11000011……11111111规律递增，全亮后同时闪烁十次，循环不断。k2和k3的状态为11

则执行按11110000，00001111，红绿灯循环闪烁不断。

      实验原理图如下：

3.2 实验电路图与说明

      实验电路图如下：

                  

 

   

 

                     

        

  如上图，在8255A芯片中，PA口作为输出，工作在0方式下。PA7---PA0接LED发光二极管D7—D0。PB作为输入端口，工作在0方式下。PB口的PB0和PB1接开关K2和K3，控制四种花形。PC口的 上C口作为输入口，PC7和PC6接开关K0和K1，K0启动系统，K1退出程序，停止系统工作。PB0和PB1控制四种花型的切换,当PB0PB1为00时，灯闪亮为左循环，当为01时时右循环，当为10时时两边向里规律递增循环，11为红绿灯交替闪烁循环。

3.3源程序代码如下：

       SPEED EQU 5000H

STACK SEGMENT

      DW  64 DUP(?)

STACK ENDS

CODE SEGMENT

      ASSUME CS:CODE

START:MOV AL,8AH     ;8255初始化

      OUT 63H,AL

A0: IN AL,62H

   TEST AL,40H         ;检测开关K0，启动

   JZ A0

EXIT: MOV AX,004CH

      INT 21H

A1: IN AL,62H

     TEST AL,80H      ;检测开关K1，停止

     JNZ EXIT

    

     IN AL,61H 

     AND AL,0FH       ;屏蔽高四位 

     CMP AL,00H         ;AL状态为00H

     JZ  L1           ;调用L1

     CMP AL,01H        ;AL状态为01H

     JZ L2            ;调用L2

     CMP AL,02H       ;AL状态为02H

     JZ  L3          ;调用L3

     CMP AL,03H      ;AL状态为03H

     JZ  L4         ;调用L4

      

 L1: MOV CX,08H       ;左移动子程序

     MOV AL,0FEH

 L11: OUT 60H,AL

      CALL DALLY     ;左移动子程序

     

      ROL AL,1

      CALL DALLY

     

      LOOP L11

      JMP A1

      INT 21H

 L2:  MOV CX,08H       ;右移动子程序

      MOV AL,3H

     

 L21: OUT 60H,AL

      CALL DALLY        ;调用延时程序

     

      ROR AL,1

      CALL DALLY

     

      LOOP L21

      JMP A1

     

L3: MOV CX,08H           ;两边向里规律递增子程序

     MOV AL,07EH

     OUT 60H,AL

     CALL DALLY

    

     MOV AL,03CH

     OUT 60H,AL

     CALL DALLY

    

     MOV AL,018H

     OUT 60H,AL

     CALL DALLY

     MOV AL,00H

     OUT 60H,AX

     CALL DALLY

    

     PUSH CX

     MOV CX,10

  L31:MOV AL,00H

      OUT 60H,AX

      CALL DALLY

      MOV AL,0FFH

      OUT 60H,AX

      CALL DALLY

      LOOP L31

      JMP A1

     POP CX

     LOOP  L3

L4: MOV CX,04H             ;交替亮灯子程序

L41: MOV AL,0FH

     OUT 60H,AL

     CALL DALLY

     MOV AL,0F0H

     OUT 60H,AL

     CALL DALLY

     LOOP L41

    

    

     JMP A1

     INT 21H

  DALLY: PUSH CX        ;延时子程序

         PUSH DX

         MOV CX,SPEED     ;延时

  LOOP5:MOV DX,SPEED

  LOOP6:DEC DX

        JNZ LOOP6

        POP DX

        POP CX

        RET

CODE ENDS

       END START

四：系统调试与操作说明

  4.1 系统调试

首先按照实验电路图连接实验线路，确认无误后。输入编写好的源程序代码，确认没有输入错误以后，编译连接加载程序，在下方会显示程序中出现的错误，找到出错的位置，因为我将PA口作为输出口，PB口作为输入口，PC口高4位作为输入口低4位作为输出口，所以将8255初始化为MOV AL 8AH ，PC6连接K2即01000000H，TEST AL 40H ，PC7连接K3即10000000H，TEST AL 80H ，A口地址为60H，作为输出所以OUT 60H AL，B口地址为61H，作为输入口所以IN AL 62H。经过以上的调式，编译加栽后系统能够正常的运行。

4.2操作说明                        

首先输入源程序代码，然后编译连接加载，加载成功后运行。本系统主要由四个开关控制，分别为K0、K1、K2和K3。K0置1时启动系统，K1置1时退出系统。K2和K3的状态为00则00000001左循环，K0和K1的状态为01则执行10000000右循环，K2和K3的状态

为10则执行按1000001，11000011……11111111规律递增，全亮后同时闪烁十次，循环不断。K2和K3的状态为11则执行按11110000，00001111闪烁。

第五章：总结体会

   这又是一次关于计算机语言的课程设计了，以前我们做过c，java等计算机语言的编程课程设计，那都是纯软件的课程设计，这次是用汇编语言编写程序，而且其中还涉及到了硬件电路的应用。

我的选题是循环彩灯的设计，开始拿到题目的时候，我想到了上课时候做的实验，虽然比较简单，但是原理是大同小异的。我用了8255A的芯片来设计这次实验的电路，用到了PA口，PB口和PC口，利用PA口的八个口输出，连接八个灯，显示灯的亮和灭；利用PB0和PB1连接K2和K3开关，来控制彩灯四种形状的切换；利用PC6和PC7连接K0和K1开关，来控制运行的开始与停止，最后成功的完成这次实验。

在写程序的过程中，我遇到了一些问题，关于循环语句的应用，我不是很明白，经过看书和查阅资料，我懂得了循环语句的应用，并且成功的解决了设计中所需要的循环次数的问题，其中我学到了不少东西，上课的时候讲的子程序，在这次实验中都应用到了，给了自己一个实践锻炼的机会，也让我成功的完成了程序设计。

这次的课程设计，和以前的课程设计一样，我接触到了自己学过的东西，也接触了自己没学到的东西，既巩固了所学习的知识，也让自己对新的知识得到了一定的了解，每次的课程设计，总是能让自己学到很多的东西。

妈妈总说做事情要有耐心，老师总说学习要用心，耐心和用心加起来就是最好问题事情的武器，在课程设计中总是能感觉到这样的道理。学习就是为了把学的东西运用起来，俗话也有说：台上一分钟，台下十年工，所以学习要持之以恒。在以后的学习中，我会不断的努力前进的。

参考文献：

彭虎，周佩玲，傅忠谦，《微机原理与接口技术》（第二版），电子工业出版社，20##年3月。

戴梅萼，《微机计算机技术与应用》（第三版），清华大学出版社，20##年。

艾德才，《Pentium系列微型计算机原理与接口技术》，高等教育出版社，20##年。