数字频率计设计.docx

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数字频率计设计

苏州市职业大学

课程设计任务书

课程名称：

数字频率计设计

起讫时间：

2011.12.19~2010.12.23

院系：

电子信息工程系

班　　级：

学号：

姓名：

指导教师：

系主任：

一、课程设计课题

数字频率计设计

二、课程设计要求

课程设计要求：

　　基本要求：

设计一个能测量方波信号频率的频率计，测量结果用4位十进数显示，频率测量范围为0HZ－9999HZ。

并显示信号。

提高部分:

设计一个能测量方波信号频率的频率计，测量结果用4位十进数显示，频率测量范围分为四档。

1档为0HZ－9999HZ，2档为10.0KHZ－99.99KHZ，3档为100.0KHZ－999.9KHZ，4档为1.000MHZ－999MHZ，用4个带小数点数码管显示其频率，并设置4个量程状态显示信号。

三、课程设计工作量

12月19日（星期一）全天：

明确课程设计任务和目标，熟悉QuartusⅡ软件及实验下载板。

查找相关资料，根据功能要求进行功能块程序的编写。

12月20日（星期二）上午8：

30~11：

30：

程序编译、仿真、适配、下载。

12月22日（星期四）上午8：

30~11：

30：

程序编译、仿真、适配、下载。

12月23日（星期五）上午8：

30~11：

30：

学生演示设计结果，分两部分：

基本要求的完成及提高部分要求的完成。

四、课程设计说明书内容（有指导书的可省略）

1、狭义EDA技术的特点及发展趋势。

2、各功能模块的功能及相互关系。

3、程序编译、仿真、适配、下载（顶层文件，原理图）。

4、程序清单。

第一章绪论

1.1电子设计自动化技术及其发展

上世纪末期，电子设计技术获得了快速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透到社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也变得越来越快。

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，使得表征半导体工艺水平的线宽已经达到了60nm，并还在不断地缩小，而在硅片单位面积上，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，专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的设计成本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能够实现单片电子系统SOC（SystemOnaChip）。

现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术，即EDA（ElectronicDesignAutomation）技术。

EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）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、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。

EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现，这是电子设计技术的一个巨大进步。

EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计、ASIC测试和封装、FPGA（Field Programmable Gate Array）/CPLD（Complex Programmable LogicDevice）编程下载和自动测试等技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及其高频的长线技术理论等。

因此，EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。

正因为EDA技术丰富的内容以及与电子技术各学科领域的相关性，其发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。

就过去近30年的电子技术的发展历程，可大致将EDA技术的发展分为以下3个阶段。

20世纪70年代，在集成电路制作方面，MOS工艺得到广泛的应用；可编程逻辑技术及其器件问世，计算机作为一种运算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劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。

20世纪80年代，集成电路设计进入了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；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，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔函数综合和化简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。

进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化进一步确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用。

与此同时，电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展，特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成。

更为重要的是各EDA公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究和应用推广，更有效地将EDA技术推向成熟和实用。

EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，与早期的电子CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高，功能更完善，运行速度更快，而且操作界面友好，有良好的数据开放性和互换性，即不同厂商的EDA软件可相互兼容。

因此，EDA技术很快在世界各大公司、企业和科研单位得到了广泛应用，并已成为衡量一个国家电子技术发展水平的重要标志。

　　EDA技术的范畴应包括电子工程师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产的全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作。

从一个角度看，EDA技术可粗略分为系统级、电路级和物理实现级三个层次的辅助设计过程；从另一个角度来看，EDA技术应包括电子电路设计的各个领域，即从低频电路到高频电路，从线性电路到非线性电路，从模拟电路到数字电路，从分立电路到集成电路的全部设计过程。

现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力，主要体现在以下几个方面：

1．“自顶向下”设计方法

　　“自顶向下”的设计方法首先从系统级设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计；在方框图级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述；在功能级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。

“Top-down”设计方法有利于在早期发现结构设计中的错误，提高设计的一次成功率，因而在现代EDA系统中被广泛采用。

2．硬件描述语言（HDL）

　　用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征。

与传统的原理图输入设计方法相比较，硬件描述语言更适合于规模日益增大的电子系统，它还是进行逻辑综合优化的重要工具。

硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。

它的突出优点是：

语言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。

目前最常用的硬件描述语言有VHDL和Verilog-HDL，它们都已经成为IEEE标准。

3．逻辑综合优化

　　逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级逻辑的电路描述，做到了设计与工艺的独立。

优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合结果替代一些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。

4．开放性和标准化

　　框架是一种软件平台结构，它为EDA工具提供了操作环境。

框架的关键在于提供与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理等，此外还应包括各种与数据库相关的服务项目。

任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作。

这样，框架作为一套使用和配置EDA软件包的规范，就可以实现各种EDA工具间的优化组合，并集成在一个易于管理的统一的环境之下，实现资源共享。

近年来，随着硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上，从而使EDA框架标准化。

新的EDA系统不仅能够实现高层次的自动逻辑综合、版图综合和测试码生成，而且可以使各个仿真器对同一个设计进行协同仿真，进一步提高了EDA系统的工作效率和设计的正确性。

5．库（Library）的引入

　　EDA工具之所以能够完成各种自动设计过程，关键是有各类库的支持，如逻辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测试库等。

这些库都是EDA设计公司与半导体生产厂商紧密合作、共同开发的。

　　集成电路技术的进展不断对EDA技术提出新的要求，促进了EDA技术的发展。

EDA工具的发展经历了两个大的阶段，即物理工具阶段和逻辑工具阶段。

　　物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等。

另外它还能提供一些设计的电气性能分析，如设计规则检查。

这些工作现在主要由集成电路厂家来完成。

　　逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念的。

首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成逻辑综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。

现在EDA已被理解为一个整体的概念，即电子系统设计自动化。

EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的EDA工具问世，然而，我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家。

因此，广大电子工程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竟争与发展的需要。

1.2VHDL语言

VHDL语言简介

　VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，诞生于1982年。

1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。

硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分，常见的HDL主要有VHDL、VerilogHDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog和SystemC。

VHDL作为一个规范语言和建模语言，随着它的标准化，出现了一些支持该语言的行为仿真器。

由于创建VHDL的最初目标是用于标准文档的建立和电路功能模拟，其基本想法是在高层次上描述系统和元件的行为。

但到了20世纪90年代初，人们发现，VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，可以利用软件工具将VHDL源码自动地转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图，即网表文件。

这种方法显然对于电路自动设计是一个极大的推进。

很快，电子设计领域出现了第一个软件设计工具，即VHDL逻辑综合器，它可以标准地将VHDL的部分语句描述转化为具体电路实现的网表文件。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展了VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。

现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。

现在公布的最新VHDL标准版本是IEEE1076-2002。

VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。

VHDL具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。

因此，VHDL在支持各种模式的设计方法，如自顶向下与自底向上或混合方法方面，以及在面对当今许多电子产品生命周期的缩短，需要多次重新设计以融入最新技术、改变工艺等方面都表现出了良好的适应性。

用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力

　　VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。

除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

VHDL语言采用基于库（library）的设计方法。

在设计过程中,设计人员可以建立各种可再次利用的模块,一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计,而是一些模块的累加。

这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块,将这些模块存放在库中,就可以在以后的设计中进行复用。

VHDL语言的特点

　　VHDL语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用,它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。

归纳起来,VHDL语言主要具有以下优点：

（1）VHDL语言功能强大,设计方式多样

　　VHDL语言具有强大的语言结构,只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。

同时,它还具有多层次的电路设计描述功能。

此外,VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现,这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

VHDL语言设计方法灵活多样,既支持自顶向下的设计方式,也支持自底向上的设计方法;既支持模块化设计方法,也支持层次化设计方法。

（2）VHDL语言具有强大的硬件描述能力

　　VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路,也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。

同时，VHDL语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。

VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。

VHDL语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。

　　（3）VHDL语言具有很强的移植能力

　　VHDL语言很强的移植能力主要体现在:

对于同一个硬件电路的VHDL语言描述,它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。

　　（4）VHDL语言的设计描述与器件无关

　　采用VHDL语言描述硬件电路时,设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。

这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化,而不需要考虑其他的问题。

当硬件电路的设计描述完成以后,VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。

　　（5）VHDL语言程序易于共享和复用

　　由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言,因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享,从而减小硬件电路设计的工作量,缩短开发周期。

1.3Quartus2概述

Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一。

Quartus II在21世纪初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+plus II的更新换代产品，其界面友好，使用便捷。

在Quartus II上可以完成1.5节所述的整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。

Altera的QuartusII提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具，并为AlteraDSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。

QuartusII设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。

Quartus II也可以利用第三方的综合工具，如LeonardoSpectrum、SynplifyPro、FPGACompiler II，并能直接调用这些工具。

同样，Quartus II具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。

此外，Quartus II与MATLAB和DSPBuilder结合，可以进行基于FPGA的DSP系统开发和数字通信模块的开发。

Quartus II包括模块化的编译器。

编译器包括的功能模块有分析/综合器（Analysis&Synthesis）、适配器（Fitter）、装配器（Assembler）、时序分析器（TimingAnalyzer）、设计辅助模块（DesignAssistant）、EDA网表文件生成器（EDANetlistWriter）、编辑数据接口（CompilerDatabaseInterface）等。

可以通过选择StartCompilation来运行所有的编译器模块，也可以通过选择Start单独运行各个模块。

还可以通过选择CompilerTool（Tools菜单），在CompilerTool窗口中运行该模块来启动编译器模块。

在CompilerTool窗口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，或打开其他相关窗口。

此外，QuartusII还包含许多十分有用的LPM（LibraryofParameterizedModules）模块，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在SOPC设计中被大量使用，也可与Quartus II普通设计文件一起使用。

Altera提供的LPM函数均基于Altera器件的结构做了优化设计。

在许多实用情况中，必须使用宏功能模块才可以使用一些Altera特定器件的硬件功能，如各类片上存储器、DSP模块、LVDS驱动器、PLL以及SERDES和DDIO电路模块等。

下图所示的上排是QuartusII编译设计主控界面，它显示了QuartusII自动设计的各主要处理环节和设计流程，包括设计输入编辑、设计分析与综合、适配、编程文件汇编（装配）、时序参数提取以及编程下载几个步骤。

在图1-2所示下排的流程框图，是与上面的QuartusII设计流程相对照的标准的EDA开发流程。

图1QuartusII设计流程

Quartus II编译器支持的硬件描述语言有VHDL（支持VHDL'87及VHDL'97标准）、VerilogHDL及AHDL（AlteraHDL）。

Quartus II支持层次化设计，可以在一个新的编辑输入环境中对使用不同输入设计方式完成的模块（元件）进行调用，从而解决了原理图与HDL混合输入设计的问题。

在设计输入之后，QuartusII的编译器将给出设计输入的错误报告。

可以使用QuartusII带有的RTLViewer观察综合后的RTL图。

1.4面向FPGA的开发流程

完整地了解利用EDA技术进行设计开发的流程对于正确地选择和使用EDA软件、优化设计项目、提高设计效率十分有益。

一个完整的、典型的EDA设计流程既是自顶向下设计方法的具体实施途径，也是EDA工具软件本身的组成结构。

1.4.1设计输入

下图所示是基于EDA软件的FPGA开发流程框图，下面将分别介绍各个设计模块的功能特点。

对于目前流行的用于FPGA开发的EDA软件，图1-1所示的设计流程具有普遍性。

图2FPGA的EDA开发流程

将电路系统以一定的表达方式输入计算机，是在EDA软件平台上对FPGA/CPLD开发的最初步骤。

通常，使用EDA工具的设计输入可分为以下两种类型。

1．图形输入

图形输入通常包括状态图输入、波形图输入和原理图输入等方法。

状态图输入方法就是根据电路的控制条件和不同的转换方式，用绘图的方法在EDA工具的状态图编辑器上绘出状态图，然后由EDA编译器和综合器将此状态变化流程图形编译综合成电路网表。

波形图输入方法则是将待设计的电路看成一个黑盒子，只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图，EDA工具即能据此完成黑盒子电路的设计。

原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理图编辑输入方式，即在EDA软件的图形编辑界面上绘制能完成特定功能的电路原理图。

原理图由逻辑器件（符号）和连接线构成，图中的逻辑器件可以是EDA软件库中预制的功能模块，如与门、非门、或门、触发器以及各种含74系列器件功能的宏功能块，甚至还有一些类似于IP的功能块。

2．硬件描述语言文本输入

这种方式与传统的计算机软件语言编辑输入基本一致，就是将使用了某种硬件描述语言（HDL）的电路设计文本，如VHDL或Verilog的源程序，进行编辑输入。

1.4.2综合

综合（Synthesis），就其字面含义应该为把抽象的实体结合成单个或统一的实体。

因此，综合就是把某些东西结合到一起，把设计抽象层次中的一种表述转化成另一种表述的过程。

对于电子设计领域的综合概念可以表示为：

将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配而成的过程。

事实上，设计过程中的每一步都可称为一个综合环节。

设计过程通常从高层次的行为描述开始，以最底层的结构描述结束，每个综合步骤都是上一层次的转换。

（1）从自然语言表述转换到VHDL语言算法表述，是自然语言综合。

（2）从算法表述转换到寄存器传输级（RegisterTransportLevel，RTL）表述，即从行为域到结构域的综合，是行为综合。

（3）从RTL（RegisterTransferLevel）级表述转换到逻辑门（包括触发器）的表述，即逻辑综合。

（4）从逻辑门表述转换到版图表述（ASIC设计），或转换到FPGA的配置网表文件，可称为版图综合或结构综合。

一般地，综合是仅对应于HDL而言的。

利用HDL综合器对设计进行综合是十分重要的一步，因为综合过程将把软件设计的HDL描述与硬件结构挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤，是文字描述与硬件实现的一座桥梁。

综合就是将电路的高级语言（如行为描述）转换成低级的，可与FPGA/CPLD的基本结构相映射的网表文件或程序。

当输入的HDL文件在EDA工具中检测无误后，首先面临的是逻辑综合，因此要求HDL源文件中的逻辑描述语句都是可综合的。

在综合之后，HDL综合器一般都可以生成一种或多种文件格式网表文件，如EDIF、VHDL、Verilog、VQM等标准格式，在这种网表文件中用各自的格式描述电路的结构，如在VHDL网表文件中采用VHDL的语法，用结构描述的风格重新诠释综合后的电路结构。

整个综合过程就是将设计者在EDA平台