毕业论文-基于VHDL的音乐播放器的设计(终稿).doc
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1、摘要摘要在EDA开发工具Quartus II 6.0平台上,采用VHDL语言层次化和模块化的设计方法,通过音符编码的设计思想,预先定制乐曲,实现动态显示乐曲演奏电路的设计,并在此基础上,基于同一原理,使此电路同时具备了简易电子琴的功能,使基于CPLD/FPGA芯片的乐曲播放数字电路得到了更好的优化,提高了设计的灵活性和可扩展性。关键字:EDA;Quartus II;VHDL;CPLD/FPGA;乐曲演奏电路;简易电子琴19AbstractABSTRACTBased on the QuartusII-the EDA development tool, this design has adopte
2、d the method of classification and modularization of VHDL level. Through the concept of note coding, the design of dynamic music-displaying circuit is realized after the musical composition has been made in advance. On the basis of the above and the same principle, this electric circuit has the same
3、 function of a simple electronic organ. The design of CPLD/FPGA chip-based music-displaying digital circuit is greatly improved, and the flexibility and expansibility of the design are improved as well.Key Words: EDA;Quartus II;VHDL;CPLD/FPGA;music-displaying circuit;simple electronic organ目录目录第1章绪论
4、11.1 研究背景11.2 电子设计自动化发展史21.2.1 EDA技术的涵义21.2.2 EDA技术的发展史21.3 EDA技术发展动态31.4 研究思路及主要工作4第2章可编程技术简介52.1 可编程逻辑器件FPGA/CPLD52.2 硬件描述语言VHDL72.3 开发软件QUARTUS 9第3章系统设计133.1 系统原理133.1.1 音调的控制143.1.2 音长的控制143.2 系统结构153.3 各模块分析与设计163.3.1 定制万水千山总是情音符数据ROM163.3.2 音符数据地址发生器模块NOTETABS173.3.3 预置数查表电路电路模块TONETABA173.3.4
5、 发声频率产生模块SPEAKERA173.3.5 简易电子琴功能模块ELECLOCK18第4章系统程序实现与仿真分析194.1 各部分程序实现194.1.1 在QUARTUSII 6.0下定制的LPM_ROM194.1.2 乐曲硬件演奏电路顶层设计VHDL实现194.1.3 音符数据地址发生器模块NOTETABS程序与说明214.1.4 预置数查表电路模块TONETABA程序与说明224.1.5 发声频率产生模块SPEAKERA程序与说明254.1.6 简易电子琴功能模块ELECLOCK程序与说明274.2 仿真结果分析294.2.1 Speakera仿真294.2.2 顶层文件仿真(包括电子
6、琴部分)结果314.2.3 顶层文件仿真(不包括电子琴)结果324.2.4 简易电子琴单独仿真33第5章硬件验证35第六章结束语39参考文献39致谢40第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景随着电子技术的飞速发展,微电子技术的进步主要表现在大规模集成电路加工技术即半导体工艺技术的发展上,使得表征半导体的工艺水平的线宽已经达到了60nm,并在不断地缩小,面在硅片单位面积上,集成了更多的晶体管。集成电路设计正在不断地向超大规模,极低功耗和超高速的方向发展,电子产品的功能越来越强大,体积越来越小,功耗越来越低。同时,利用可编程逻辑器件和EDA 技术使设计方法发生了质的变化。把以前“电路设计+硬件搭
7、试+调试焊接”转化为“功能设计+软件模拟+仿真下载”。利用EDA 开发平台,采用可编程逻辑器件CPLDFPGA 使硬件的功能可通过编程来实现,这种新的基于芯片的设计方法能够使设计者有更多机会充分发挥创造性思维,实现多种复杂数字逻辑系统的功能,将原来由电路板设计完成的工作放到芯片的设计中进行,减少了连线和体积,提高了集成度,降低了干扰,大大减轻了电路设计和PCB设计的工作量和难度,增强了设计的灵活性,有效地提高了工作效率,增加了系统的可靠性和稳定性,提高了技术指标。这些技术使得各种电子产品迅速的进入了我们的生活,我们处在一个被电子产品深度包围的时代,在一个普通老百姓的家里,衣食住行,每一个产品的
8、诞生都离不开EDA技术,从彩色电视机,到智能冰箱,到全自动洗衣机,电饭煲,到微波炉,电磁炉,电子琴,再到个人随身用的手机,MP3音乐播放器都需要EDA技术提供支持。本文应用VHDL硬件描述语言,设计一个乐曲硬件演奏电路,它能将一首预先设置存储好的乐曲自动播放出来,除此之外,也能够通过按键的方式输入音符,使其具备简易电子琴的功能。通过此项研究,能够深切的体会利用EDA工具开发的优越性,在此基础上,对乐曲硬件演奏电路功能进行丰富,具体一定的社会实用性。下面对乐曲演奏电路的设计与实现中涉及的EDA技术,以及EDA技术中常用的开发器件CPLDFPGA可编程逻辑器件,开发语言VHDL以及开发软件Quar
9、tus作简单介绍。1.2 电子设计自动化发展史1.2.1 EDA技术的涵义什么叫EDA技术?EDA是Electronic Design Automation(电子设计自动化)的缩写。EDA技术就是依靠功能强大的电子计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化和仿真,直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC芯片中,实现既定的电子电路设计功能。1.2.2 EDA技术的发展史EDA技术伴随着计算机、集成电路和电子系统设计的发展,经
10、历了计算机辅助设计(Computer Assist Design,CAD)、计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design,CAED)和电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)三个发展阶段。 20世纪70年代的计算机辅助设计(CAD)阶段;早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件,随着集成电路的出现和应用,硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中小规模标准集成电路,人们将这些器件焊接在电路板上,做成初级电子系统,对电子系统的调试是在组装好的PCB(Printed Circuit Board)板上
11、进行的,由于设计师对图形符号使用数量有限,传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求,更不能满足工作效率的要求。可编程逻辑技术及其器件问世,计算机作为一种工具在科研领域得到广泛应用。而在后期,CAD的概念已见雏形,这一阶段人们开始利用计算机取代手工设计,辅助进行集成电路版图编辑、PCB布线等工作。 20世纪80年代的计算机辅助工程设计(CAED)阶段;20世纪80年代,集成电路进入了CMOS(互补场效应管)时代,复杂可编程逻辑器件进入商业应用,相应的辅助设计软件投入使用;而在80年代末,出现了FPGA;CAE和CAD技术的应用更为广泛,它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析
12、,以及逻辑设计、仿真、综合和简化等方面担任了重要的角色。特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步,为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。 20世纪90年代电子系统设计自动化(EDA)阶段; 为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求,最好的办法是由用户自己设计芯片,让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。微电子技术的发展,特别是可编程逻辑器件的发展,使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件,使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA工具的发展,又为设计师提供了全线EDA工具。 这个阶段发展起来的EDA工具,目的是在设计前期将设计师
13、从事的许多高层次设计由工具来完成,如可以将用户要求转换为设计技术规范,有效的处理可用的设计资源与理想的设计目标之间的矛盾,按具体的硬件、软件和算法分解设计等。由于电子技术和EDA工具的发展,设计师可以在不太长的时间内使用EDA工具,通过一些简单标准化的设计过程,利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。20世纪90年代,设计师逐步从使用硬件转向设计硬件,从单个电子产品开发转向系统级电子产品开发(即片上系统集成,System on A Chip)。因此,EDA工具是以系统机设计为核心,包括系统行为级描述与结构综合,系统仿真与测试验证,系统划分与指标分配,系统决策与文件
14、生成等一整套的电子系统设计自动化工具。这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力,而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力,具有高级抽象的设计构思手段。例如,提供方框图、状态图和流程图的编辑能力,具有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语言(如VHDL、AHDL或Verilog-HDL),同时含有各种工艺的标准元件库。只有具备上述功能的EDA工具,才可能是电子设计工程师在不熟悉各种半导体工艺的情况下,完成电子系统的设计。1.3 EDA技术发展动态未来的EDA技术将向广度和深度两个方向发展,EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域,随着基于EDA的SOC(单片系统)设计技术的发展,软硬核功能库
15、的建立,以及基于VHDL所谓自顶向下设计理念的确立,未来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师们的专利。有专家认为,21世纪将是EDA技术快速发展的时期,并且EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。1.4 研究思路及主要工作本文按照EDA开发流程,采用VHDL硬件描述语言开发,将乐曲硬件演奏电路设计进行模块化分解,层次化设计,分成几个单独的结构体,每个结构体实现部分功能,最后,经顶层文件将各单独结构体进行综合,实现乐曲硬件演奏。主要工作:根据硬件演奏电路的功能进行全局分析,采用自上至下的设计方法,从系统总体要求出发,逐步将设计内容细化,最后完成系统结构的整体设计。将功能分成两部分
16、,功能一:实现预先设置乐曲的播放功能;功能二:实现乐曲按键输入,实现简易电子琴功能。实现功能一乐曲播放,需要完成以下设计:预置乐曲,本文选取了万水千山总是情的一段作预置,作预置时,需要将乐曲音符转换成相应的代码,通过计算逐一将音符转换成代码,通过EDA开发平台quartus ii 6.0进行乐曲定制;为了提供乐曲发音所需要的发音频率,编写数控分频器程序,对单一输入高频,进行预置数分频,生成每个音符发音的相应频率;为了给分频提供预置数,需要计算分频预置数;对每部分结构单元逐一进行编译,生成相应的元器件符号,并对独立结构单元功能进行仿真;实现功能二按键输入简易电子琴,需要完成以下设计;同样利用数控
17、分频原理,通过公式预先计算分频预置数;编写简易电子琴源程序VHDL文件;启动quartus ii 6.0全程编译,生成具体输入,输出端口的图形文件。启动全程功能仿真,生成仿真波形文件。生成下载文件,在EPM7128实验开发板上利用Altera公司的EPM7128SLC8410芯片进行功能验证。第2章 可编程技术简介第2章 可编程技术简介2.1 可编程逻辑器件FPGA/CPLD在数字化道路上,我国电子设计技术的发展经历了并将继续经历很多重大的变革与飞跃。从应用SSI通用数字电路芯片构成电路系统,到广泛应用MCU(微控制器或单片机),在电子系统设计上发生了一个具有里程碑意义的飞跃,这一飞跃不但克服
18、了纯SSI数字电路系统许多不可逾越的困难,同时也为电子设计技术的应用开拓了更广阔的前景,使得电子系统的智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃。MCU的广泛应用并没有抛弃SSI的应用,而是为它们在电子系统中找到了更合理的地位。随着社会经济发展的延伸,电子设计技术的应用为我们提出了许多全新的课题和更高的要求,因此也拓宽了更大的应用空间。不言而喻,我国的电子设计技术发展到今天,又将面临一次更大意义上的突破。从某种意义上来说,这种突破的实现是历史抉择性的,而非技术性的。即CPLD/FPGA在EDA中的广泛应用。可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。FPGA和CP
19、LD分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称,现在,FPGA和CPLD器件的应用已十分广泛,它们将随着EDA技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。从本质上说,新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构上,但却是一次更高层次的循环。它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分,对MCU系统将是一种扬弃,但在电子技术的设计操作和系统构成的整体上却发生了质的飞跃。如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话,那么CPLD/FPGA不但包括了MCU这一特点,而且还可触及硅片电路线度的物理极限,并兼有串并行方式、高速、高可靠性以及宽口径实用性等诸多方面的特定。不但如此,随着EDA技术的发展和
20、CPLD/FPGA在深亚微米级领域的进军,它们与MCU、MPU、DSP、A/D、RAM和ROM等独立器件间的物理与功能界限将日益模糊。特别是软/硬IP芯核产业的迅猛发展,嵌入式通用与标准FPGA器件呼之欲出,片上系统(SOC)已近在咫尺。CPLD/FPGA其不可替代的地位及其伴随而来的极具知识经济特征的IP核产业的崛起越来越受到业内人士的密切关注。国际上生产FPGA/CPLD的主流公司,并且在国内占有市场份额较大的主要是Xilinx,Altera,Lattice三家公司。 Xilinx公司的FPGA器件有XC2000,XC3000,XC4000,XC4000E,XC4000XLA,XC5200
21、系列等,可用门数为120018 000;Altera公司的CPLD器件有FLEX6000,FLEX8000,FLEX10K,FLEX10KE系列等,提供门数为500025 000;Lattice公司的ISP-PLD器件有ispLSI1000,ispLSI2000,ispLSI3000,ispLSI6000系列等,集成度可多达25 000个PLD等效门。FPGA 在结构上主要分为三个部分,即可编程逻辑单元,可编程输入/输出单元和可编程连线三个部分。CPLD在结构上主要包括三个部分,即可编程逻辑宏单元,可编程输入/输出单元和可编程内部连线。高集成度、高速度和高可靠性是FPGA/CPLD最明显的特点
22、,其时钟延时可小至ns级,结合其并行工作方式,在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域,如果设计得当,将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。FPGA/CPLD的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中,实现所谓片上系统,从而大大缩小了体积,易于管理和屏蔽。由于FPGA/CPLD的集成规模非常大,可利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构没有关系,因而设计开发成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性。 它几乎可用于任何型号和规模的FPGA/CPLD中,
23、从而使得产品设计效率大幅度提高。可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计,这正是产品快速进入市场最宝贵的特征。美国IT公司认为,一个ASIC 80%的功能可用于IP核等现成逻辑合成。而未来大系统的FPGA/CPLD设计仅仅是各类再应用逻辑与IP核(Core)的拼装,其设计周期将更短。与ASIC设计相比,FPGA/CPLD显著的优势是开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强和硬件升级回旋余地大,而且当产品定型和产量扩大后,可将在生产中达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC投产。对于一个开发项目,究竟是选择FPGA还是选择CPLD 呢?主要看开发项目本身的需要。对于普通规模,且产量
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