数字电路与逻辑设计综合课题实验报告
北京邮电大学信息与通信工程学院
一、 设计课题的任务要求
题目三 掷骰子游戏的电路的设计与实现
基本要求
1、电路可供甲乙二人游戏，游戏者甲使用的按键为BTN0，游戏者乙使用的按键为
BTN1。
2、每按一次按键，代表掷一次骰子，可随机得到 1～6 范围内的两个数字。
3、甲乙按键产生的随机数字分别用数码管DISP0-DISP1、DISP2-DISP3 显示,并用
DISP7 显示比赛局数，比赛结束用8×8 点阵显示获胜方，并伴有声音效果。
4、具体游戏规则如下：
（1） 第一局比赛，甲乙依次各按一次按键，按键所得两数之和为7 或11 者胜；若无
人取胜，则进行第二局比赛；
（2） 第二局比赛，甲乙每人各按一次按键，按键所得二数之和与第一局比赛相同者获
胜，若无人获胜，则进行第三局比赛，重复进行步骤（2），直到出现胜者为止。
（3） 游戏局数最多进行六局。在第六局比赛时，若重复进行步骤（2）仍未出现胜者，
以按键所得两数之和最大者为获胜方。
提高要求
1、增加多人游戏的功能，数码管可分时记录显示每个游戏者的骰子点数。
2、点阵显示增加游戏开机动画、结束动画，并伴有乐曲播放。
3、自拟其它功能。
二、 系统设计
设计思路
首先根据实验的基本要求，可以知道掷骰子游戏至少有四种状态，分别是游戏状态（S0）、甲胜状态（S1）、乙胜状态（S2）和平局状态（S3），其中游戏状态可能到达其余三种状态中任意一种。若是到达平局状态，就返回游戏状态，游戏继续；而一旦到达甲胜或者乙胜状态，游戏过程结束。
游戏状态中，由两个按键作为输入，每个按键控制两位数码管，共有四位数码管分别显示四个1~6的随机数，还有一位数码管显示当前局数。离开游戏状态后，点阵显示甲胜、乙胜或平局，而且有胜者的状态中，蜂鸣器发声。
掷骰子游戏电路设计的结构图如下：
但我们还要在上述基本思想下注意几个问题：
1. 由于按键输入不稳定，数字变化太快，所以需加入按键防抖模块。
2. 数码管、点阵、蜂鸣器都需要特殊的分频，因此还需要多级的分频器。
3. 局数会影响控制器的逻辑判断，因此在循环判断时，要将第一局，第六局与第二到五局分开考虑。
4. 第一局的甲、乙两随机数之和需要单独记录，好跟后面产生的随机数的和比较。
5. 该实验的一大难点在于随机数的产生，随机数发生器需要单独拿出来研究
因此，该实验程序大致分为：随机数发生器、多级分频器、存储器、数码管显示译码、点阵显示、蜂鸣器控制、控制器和防抖模块。
分块设计
1. 随机数发生器
由于VHDL语言不能直接调用随机数，因此需要通过代码实现伪随机数的生成。查阅资料发现，生成伪随机数的方法一般有两种，一种是应用m序列发生器，将一段既定的人为书写的随机数列顺序输出，还有一种是通过时钟控制顺序计数，应用按键时刻的随机性输出随机数。经各方面比较，我选择了后者。两随机数中，低位的是按照时钟脉冲从一至六顺序输出计数，逢六进一位到高位，而高位的同理，从而使两随机数建立联系，实现一个按键随机按下，同时得出两随机数。由于时钟变化很快，两随机数之间的时间差可忽略不计。
2. 多级分频器
已知时钟的频率是50MHz，而输入到数码管和点阵的频率是1k~5kHz，输入到蜂鸣器的频率则希望控制在100Hz以下。因此需要一个多级分频器，第一级分到100kHz，第二级再分到5kHz给数码管，1kHz给点阵，第三级从1kHz分到2Hz给蜂鸣器。
3. 存储器
由于后几局的两个甲乙各自随机数之和要跟第一局的作比较，所以需要存储器来记录第一局产生的四个随机数。
4. 数码管显示译码
5. 点阵显示
6. 蜂鸣器控制
7. 控制器
8. 防抖模块
由于防抖模块需要加入到所有按键输入，因此单独拿到主程序外。加入防抖模块后，每次有按键输入，即电平发生改变，都能持续一个时钟脉冲，从而确保每次按键都能被控制器接收。此次实验由按键输入的信号有甲（a），乙（b）和clear。
总体框图
掷骰子游戏电路的逻辑流程图如下：
掷骰子游戏的状态转移图如下：
三、 仿真波形及波形分析
该实验的难点在于甲乙掷骰子时分别产生两个随机数，因此在实验开始之初，就对产生随机数的模块进行仿真。仿真波形见下图：
四、 源程序
总程序
library ieee;
use ieee. std_logic_1164. all;
use ieee. std_logic_unsigned. all;
use ieee. std_logic_arith. all;
entity s2012210709 is
port (
clk: in std_logic;
a_in,b_in, clear_in, switch_open: in std_logic;
led: out std_logic_vector( 6 downto 0);
light: out std_logic_vector( 5 downto 0);
row, colr, colg: out std_logic_vector( 7 downto 0);
beep: out std_logic);
end s2012210709;
architecture youxi of s2012210709 is
signal a, b, clear: std_logic;
signal winner: integer range 0 to 2;
signal tmpal,tmpah,tmpbl,tmpbh: integer range 1 to 6; -- 计数器模值为6
signal jushu: integer range 0 to 6:=0;
signal num0, num1, num2, num3, num5: std_logic_vector( 2 downto 0); -- 取得随机数
signal tmp0, tmp1, tmp2, tmp3: integer range 1 to 6; -- 记录随机数
signal tmpnum0, tmpnum1, tmpnum2, tmpnum3: integer range 1 to 6; -- 记录第一局的随机数
signal dianzhen: integer range 0 to 7;
signal tmpfp: integer range 0 to 249; --/100,000
signal tmpled: integer range 0 to 9; --/5000
signal tmpdianzhen: integer range 0 to 49; --/1000
signal tmpfeng: integer range 0 to 249; --/2
signal clkfp, clkled, clkdianzhen, clkfeng: std_logic;
component fangdou is --防抖程序（见总程序结束后）
port(
clk_in: in std_logic;
ai, bi, ci: in std_logic;
ao, bo, clearo: out std_logic);
end component;
begin
f0: fangdou port map( clk_in=>clk, ai=>a_in, bi=>b_in, ci=>clear_in, ao=>a, bo=>b, clearo=>clear);
p1: process( clk) -- 输出两个1~6的随机数
begin
if clk'event and clk='1' then
if clear='1' then
tmpal<=1; tmpah<=1;
elsif tmpal=6 then
tmpal<=1; tmpah<=tmpah+1;
elsif tmpah=6 then
tmpah<=1;
elsif tmpbl=6 then
tmpbl<=1; tmpbh<=tmpbh+1;
elsif tmpbh=6 then
tmpbh<=6;
else tmpal<=tmpal+1; tmpbl<=tmpbl+1;
end if;
end if;
end process p1;
p2: process( clear, clk)
begin
if clear='1' then
tmpfp<=0;
elsif clk'event and clk='1' then
if tmpfp=249 then
tmpfp<=0; clkfp<= not clkfp;
else tmpfp<=tmpfp+1;
end if;
end if;
end process p2;
p3: process( clear, clkfp)
begin
if clear='1' then
tmpdianzhen<=0;
elsif clkfp'event and clkfp='1' then
if tmpdianzhen=49 then
tmpdianzhen<=0; clkdianzhen<= not clkdianzhen;
else tmpdianzhen<=tmpdianzhen+1;
end if;
end if;
end process p3;
p4: process( clkdianzhen)
begin
if clkdianzhen'event and clkdianzhen='1' then
if dianzhen=7 then
dianzhen<=0;
else
dianzhen<=dianzhen+1;
end if;
end if;
end process p4;
p9: process( a, b)
begin
num5<=conv_std_logic_vector( jushu, 3); -- num5记录 数
if a'event and a='1' then -- num0,num1,num2,num3 分别记录4个随机数
tmp0<= tmpal; tmp1<= tmpah;
num0<=conv_std_logic_vector( tmpal, 3);
num1<=conv_std_logic_vector( tmpah, 3);
end if;
if b'event and b='1' then
tmp2<= tmpbl; tmp3<= tmpbh;
num2<=conv_std_logic_vector( tmpbl, 3);
num3<=conv_std_logic_vector( tmpbh, 3);
jushu<=jushu+1;
if jushu=1 then
tmpnum0<=tmp0; tmpnum1<=tmp1; tmpnum2<=tmp2; tmpnum3<=tmp3;
if (tmp0+tmp1=7 or tmp0+tmp1=11) and (tmp2+tmp3/=7 or tmp2+tmp3/=11) then
winner<=0;
elsif (tmp2+tmp3=7 or tmp2+tmp3=11) and (tmp0+tmp1/=7 or tmp0+tmp1/=11) then
winner<=1;
else jushu<=jushu+1;
end if;
elsif jushu=6 then
if (tmp0+tmp1)>(tmp2+tmp3) then
winner<=0;
elsif (tmp0+tmp1)<(tmp2+tmp3) then
winner<=1;
else winner<=2;
end if;
else
if (tmp0+tmp1)=(tmpnum0+tmpnum1) and (tmp2+tmp3)/=(tmpnum2+tmpnum3) then
winner<=0;
elsif (tmp2+tmp3)=(tmpnum2+tmpnum3) and (tmp0+tmp1)/=(tmpnum0+tmpnum1) then
winner<=1;
else jushu<=jushu+1;
end if;
end if;
end if;
end process p9;
p10: process( clear, clk) --数码管显示
begin
if clear='1' then
tmpled<=0;
elsif clkfp'event and clkfp='1' then
if tmpled=9 then
tmpled<=0; clkled<= not clkled;
else tmpled<=tmpled+1;
end if;
end if;
end process p10;
p11: process( num0, num1, num2, num3, num5)
begin
light<="111110";
case num0 is
when"001"=> led<="0110000";
when"010"=> led<="1101101";
when"011"=> led<="1111001";
when"100"=> led<="0110011";
when"101"=> led<="1011011";
when"110"=> led<="1011111";
when others=> led<="0000000";
end case;
light<="111100";
case num1 is
when"001"=> led<="0110000";
when"010"=> led<="1101101";
when"011"=> led<="1111001";
when"100"=> led<="0110011";
when"101"=> led<="1011011";
when"110"=> led<="1011111";
when others=> led<="0000000";
end case;
light<="111000";
case num2 is
when"001"=> led<="0110000";
when"010"=> led<="1101101";
when"011"=> led<="1111001";
when"100"=> led<="0110011";
when"101"=> led<="1011011";
when"110"=> led<="1011111";
when others=> led<="0000000";
end case;
light<="110000";
case num3 is
when"001"=> led<="0110000";
when"010"=> led<="1101101";
when"011"=> led<="1111001";
when"100"=> led<="0110011";
when"101"=> led<="1011011";
when"110"=> led<="1011111";
when others=> led<="0000000";
end case;
light<="010000";
case num5 is
when"001"=> led<="0110000";
when"010"=> led<="1101101";
when"011"=> led<="1111001";
when"100"=> led<="0110011";
when"101"=> led<="1011011";
when"110"=> led<="1011111";
when others=> led<="0000000";
end case;
end process p11;
p12: process( winner)
begin
if winner=0 then
case dianzhen is
when 0=>row<="01111111"; colr<="00111110"; colg<="00000000";
when 1=>row<="10111111"; colr<="00101010"; colg<="00000000";
when 2=>row<="11011111"; colr<="00111110"; colg<="00000000";
when 3=>row<="11101111"; colr<="00101010"; colg<="00000000";
when 4=>row<="11110111"; colr<="00111110"; colg<="00000000";
when 5=>row<="11111011"; colr<="00001000"; colg<="00000000";
when 6=>row<="11111101"; colr<="00001000"; colg<="00000000";
when 7=>row<="01111110"; colr<="00001000"; colg<="00000000";
end case;
elsif winner=1 then
case dianzhen is
when 0=>row<="01111111"; colr<="01111110"; colg<="01111110";
when 1=>row<="10111111"; colr<="01111110"; colg<="01111110";
when 2=>row<="11011111"; colr<="00001100"; colg<="00001100";
when 3=>row<="11101111"; colr<="00011000"; colg<="00011000";
when 4=>row<="11110111"; colr<="00110010"; colg<="00110010";
when 5=>row<="11111011"; colr<="01111110"; colg<="01111110";
when 6=>row<="11111101"; colr<="01111110"; colg<="01111110";
when 7=>row<="11111110"; colr<="00000000"; colg<="00000000";
end case;
else
case dianzhen is
when 0=>row<="01111111"; colr<="00000000"; colg<="01111111";
when 1=>row<="10111111"; colr<="00000000"; colg<="00101010";
when 2=>row<="11011111"; colr<="00000000"; colg<="00101010";
when 3=>row<="11101111"; colr<="00000000"; colg<="00011100";
when 4=>row<="11110111"; colr<="00000000"; colg<="01111111";
when 5=>row<="11111011"; colr<="00000000"; colg<="00001000";
when 6=>row<="11111101"; colr<="00000000"; colg<="00001000";
when 7=>row<="11111110"; colr<="00000000"; colg<="00001000";
end case;
end if;
end process p12;
p13: process( clkdianzhen)
begin
if clear='1' then
tmpfeng<=0;
elsif clkdianzhen'event and clkdianzhen='1' then
if tmpfeng=249 then
tmpfeng<=0; clkfeng<= not clkfeng;
else tmpfeng<=tmpfeng+1;
end if;
end if;
end process p13;
p14: process( winner)
begin
if winner=0 or winner=1 then
beep<='1';
else beep<='0';
end if;
end process p14;
end youxi;
防抖程序模块
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity fangdou is
port( clk_in: in std_logic;
ai, bi, ci: in std_logic;
ao, bo, clearo: out std_logic);
end fangdou;
architecture a of fangdou is
signal aitmp1, aitmp2: std_logic;
signal bitmp1, bitmp2: std_logic;
signal citmp1, citmp2: std_logic;
begin
process( clk_in)
begin
if clk_in'event and clk_in='0' then
aitmp2<= aitmp1;
aitmp1<= ai;
bitmp2<= bitmp1;
bitmp1<= bi;
citmp2<= citmp1;
citmp1<= ci;
end if;
end process;
ao<=clk_in and aitmp1 and (not aitmp2);
bo<=clk_in and bitmp1 and (not bitmp2);
clearo<=clk_in and citmp1 and (not citmp2);
end a;
五、 功能说明及资源利用情况
功能说明
资源利用情况
由编译结果可知，本程序一共使用逻辑单元160个，占用率为13%，使用逻辑管脚43个，占用率为37%。
六、 故障及问题分析
点阵显示
蜂鸣器
七、 总结和结论