基于VHDL語言的搶答器

1、VHDL搶答器的設(shè)計設(shè)計要求：1.搶答器同時供N名選手，(此處假設(shè)4個)分別用4個按鈕S0 S3表示。2.設(shè)置一個系統(tǒng)“開始復(fù)位”開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制（當主持人按下該開關(guān)后以前的狀態(tài)復(fù)位并且開始計時搶答）。3搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。4. 搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間（0-99S）。當主持人啟動“開始復(fù)位”鍵后，定時器進行減計時。5. 如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。一、

2、概述 搶答器的邏輯結(jié)構(gòu)主要由搶答鑒別lock模塊、定時模塊、譯碼模塊和報警器模塊組成。在整個搶答器中最關(guān)鍵的是如何實現(xiàn)搶答封鎖，在控制鍵按下的同時計數(shù)器倒計時顯示有效剩余時間。除此之外，整個搶答器還需有一個“復(fù)位開始”信號，以便搶答器能實現(xiàn)清零和開始。搶答器共有3個輸出顯示，選手代號、計數(shù)器的個位和十位，他們輸出全都為BCD碼輸出，這樣便于和顯示譯碼器連接。當主持人按下控制鍵、選手按下?lián)尨疰I蜂鳴器短暫響起。方案設(shè)計與論證嘿嘿！將該任務(wù)分成N個模塊進行設(shè)計，分別為：搶答器鑒別模塊、搶答器計時模塊、譯碼模塊、報警模塊，最后是綜合。1. 搶答器鑒別模塊：在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的搶答功能，并且

3、能實現(xiàn)當有一路搶答按鍵按下時，該路搶答信號將其余個綠搶答封鎖的功能。在這個模塊輸入端有WARN輸入(以時間控制系統(tǒng)的WARN輸出信號為信號源)、一個和“時間控制系統(tǒng)”公用的CLEAR端、4人搶答輸入信號端S0,S1,S2,S3和有一個時鐘信號端CLK，這個時鐘信號是個高頻信號，用以掃描S0，S1，S2，S3是否有信號輸入。輸出端有對應(yīng)于S0，S1，S2，S3編號的4個指示燈LED 和4線2進制輸出端STATES（用于鎖存當前的狀態(tài)），還有一個STOP 端用于指示S0,S1,S2,S3按鈕狀態(tài)（控制計時器停止）。在此模塊中高頻時鐘信號一直作用，此時，若主持人按下CLEAR即為開始搶答信號，所有輸

4、出端都自動清零。在有效時間范圍（N秒）內(nèi)只要有人搶答，STOP就有高電平輸出至“時間控制系統(tǒng)”的STOP端以控制倒計時的停止，并且對應(yīng)的LCD指示燈點亮，STATES鎖存輸出到譯碼顯示模塊，用以顯示優(yōu)先搶答人的組號，并鎖定輸入端S以阻止系統(tǒng)響應(yīng)其他搶答者的信號。當有效時間到了之后還沒有人搶答，則記時模塊發(fā)出報警信號，同時反饋回來給搶答鑒別模塊，禁止選手在搶答。2.譯碼模塊：將搶答過程中鎖存的BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼用于LED的顯示。3定時器模塊：這個模塊的輸入端有時鐘信號CLK1、系統(tǒng)復(fù)位信號CLEAR和一個STOP輸入信號；輸出端有秒時間狀態(tài)顯示信號高位HIGH和低位LOW，無人搶答時計時中止警

5、報信號WARN。這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的計時功能，在搶答開始后進行N秒的倒計時，并且在N秒倒計時后無人搶答的情況下顯示超時并輸出信號至WARN報警，或者只要N秒內(nèi)有人搶答，由搶答鑒別模塊輸出的STOP信號控制停止計時，并顯示優(yōu)先搶答者的搶答時刻，輸出一個信號經(jīng)WARN傳至“搶答鑒別系統(tǒng)”，鎖存不再讓選手搶答。4報警模塊：在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的報警功能，當主持人按下控制鍵，有限時間內(nèi)（N秒內(nèi)）有人搶答或是倒計時到了之后蜂鳴器開始報警，輸出SOUND有效電平為高.5.在這個模塊中是對前4個模塊的綜合。三單元電路軟件設(shè)計及仿真1.搶答器鑒別模塊VHDL程序及模塊：在這個模塊中主要實現(xiàn)

6、搶答過程中的搶答功能，并且能實現(xiàn)當有一路搶答按鍵按下時，該路搶答信號將其余個綠搶答封鎖的功能。在這個模塊輸入端有WARN輸入(以時間控制系統(tǒng)的WARN輸出信號為信號源)、一個和“時間控制系統(tǒng)”公用的CLEAR端、4人搶答輸入信號端S0,S1,S2,S3和有一個時鐘信號端CLK，這個時鐘信號是個高頻信號，用以掃描S0，S1，S2，S3是否有信號輸入。輸出端有對應(yīng)于S0，S1，S2，S3編號的4個指示燈LED 和4線2進制輸出端STATES （用于鎖存當前的狀態(tài)），還有一個STOP 端用于指示S0,S1,S2,S3按鈕狀態(tài)（控制計時器停止）。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LO

7、GIC_1164.ALL;ENTITY LOCK IS PORT( CLK,CLEAR:IN STD_LOGIC; WARN:IN STD_LOGIC; S0,S1,S2,S3:IN STD_LOGIC; STATES:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); STOP:OUT STD_LOGIC; LED:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END LOCK;ARCHITECTURE ONE OF LOCK ISSIGNAL G:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLEAR,CLK,S

8、0,S1,S2,S3) BEGIN IF CLEAR=1 THEN G=0000;LED=0000;STOP=0; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF WARN=0 THEN IF( S3=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(1)=1 OR G(2)=1) THEN G(3)=1;LED(3)=1; ELSIF( S2=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(1)=1 OR G(3)=1) THEN G(2)=1;LED(2)=1; ELSIF( S1=1)AND NOT(G(0)=1 OR G(2)=1 OR G(3)=1) THEN G(1)=1;

9、LED(2)=1; ELSIF( S0=1)AND NOT(G(1)=1 OR G(2)=1 OR G(3)=1) THEN G(0)=1;LED(3)=1; END IF; STOPSTATESSTATESSTATESSTATESSTATESQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUTQOUT=0000000; END CASE; END PROCESS;END ARCHITECTURE TWO;3.定時模塊VHDL程序及模塊：這個模塊的輸入端有時鐘信號CLK、系統(tǒng)復(fù)位信號CLEAR和一個STOP輸入信號；輸出端有秒時間狀態(tài)顯示信號高位HIGH和低位LOW

10、，無人搶答時計時中止警報信號WARN。這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的計時功能，在搶答開始后進行N秒的倒計時，并且在N秒倒計時后無人搶答的情況下顯示超時并輸出信號至WARN報警，或者只要N秒內(nèi)有人搶答，由搶答鑒別模塊輸出的STOP信號控制停止計時，并顯示優(yōu)先搶答者的搶答時刻，輸出一個信號經(jīng)WARN傳至“搶答鑒別系統(tǒng)”，鎖存不再讓選手搶答。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNT IS PORT(CLK,CLEAR,STOP:IN STD_LOGIC; WARN:OUT

11、 STD_LOGIC; HIGH,LOW:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END COUNT;ARCHITECTURE THREE OF COUNT ISSIGNAL HS:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL LS:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) BEGIN IF CLEAR=1 THEN HS=1001;LS=1001;WARN=0; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN LS=LS-1; IF LS=0000 THEN LS=1001;H

12、S=HS-1; IF HS=0000 AND LS=0000 THEN WARN=1;HS=0000;LS=0000; IF STOP=1 THEN HS=HS; LS=LS; WARN=1; END IF; END IF; END IF; END IF; HIGH=HS;LOW=LS;END PROCESS;END ARCHITECTURE THREE; 4報警模塊VHDL：在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的報警功能，當主持人按下控制鍵，有限時間內(nèi)（N秒內(nèi)）有人搶答或是倒計時到了之后蜂鳴器開始報警，輸出SOUND有效電平為高.LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_11

13、64.ALL;ENTITY ALARM IS PORT(CLEAR,WARN:IN STD_LOGIC; SOUND:OUT STD_LOGIC);END ;ARCHITECTURE FOUR OF ALARM ISBEGIN PROCESS(WARN,CLEAR) BEGIN IF CLEAR=1 THEN SOUND=0; ELSIF WARN=1 THEN SOUND=1; ELSE SOUND=0; END IF;END PROCESS;END ;設(shè)計電路的仿真波形圖1搶答鑒別模塊仿真圖：2譯碼模塊仿真圖：3記時模塊仿真圖：部分仿真圖（1）：部分仿真圖（2）：4報警模塊仿真圖：五主電路

14、連線圖：主電路仿真圖：六、心得與體會經(jīng)過三個星期的EDA課程設(shè)計，通過不懈努力，成功地設(shè)計出了數(shù)字式四路競賽搶答器?；厥走@幾周，雖然因為初次涉及EDA技術(shù)及MAX_PLUS軟件，對相關(guān)知識知之甚少，我們也遇到了很多困難，但是我們在這次實習(xí)的過程中都受益匪淺，收獲頗豐，甚為欣慰。 在這次課程設(shè)計的前期，我們先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了EDA概論，VHDL描述語言和設(shè)計應(yīng)用方面的基礎(chǔ)知識，使得能夠較熟練地使用MAX_PLUS軟件進行設(shè)計開發(fā)，用原理圖輸入及VHDL語言等設(shè)計輸入并編譯仿真，同時我們對以往學(xué)過的理論知識有了更加透徹的理解。我們的課題為數(shù)字式四路競賽搶答器，根據(jù)電路的特點，我們采用層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計，

15、將此項設(shè)計任務(wù)分成若干模塊，規(guī)定每一模塊的功能和各模塊之間的接口，然后再將各模塊合起來調(diào)試。在設(shè)計的過程中，遇到問題我們先獨立思考，查找資料。到自己不能解決的時候就和其他組研究討論，向指導(dǎo)老師請教。這樣既提高了我們獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，又很好地培養(yǎng)了交流合作的精神。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。本實驗通過EDA軟件muxlus2的實現(xiàn)，讓我對VHDL語言有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，

16、對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解。通過這次設(shè)計，進一步加深了對EDA的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。特別是當每一個子模塊編寫調(diào)試成功時，心里特別的高興。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。總的來說，這次設(shè)計的搶答器還是比較成功的，在設(shè)

17、計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤的指導(dǎo)下，終于迎刃而解，有點小小的成就感，終于覺得平時所學(xué)的知識有了實用的價值，達到了理論與實際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)到了不少知識，而且鍛煉了自己的能力，使自己對以后的路有了更加清楚的認識，同時，對未來有了更多的信心。經(jīng)歷數(shù)日的課設(shè)眼看塵埃落定，感覺忍不住要長出一口氣。結(jié)果怎樣已然不再重要，在這幾日里，我們經(jīng)歷了階段性成功的狂喜、測試失敗后的絕望、陷入困境時的不知所措，重新投入的振作。這已經(jīng)就足夠了！嘿嘿！八、參考文獻1 、李國洪，沈明山：可編程邏輯器件EDA技術(shù)與實踐，機械工業(yè)出版社2、江國強：EDA技術(shù)習(xí)題與實驗，電子工業(yè)出版社 3、曹昕燕，周風(fēng)臣，聶春燕

18、：EDA技術(shù)試驗與課程設(shè)計，清華大學(xué)出版社4、黃仁欣：EDA技術(shù)實用教程，清華大學(xué)出版社附錄資料：不需要的可以自行刪除SHA算法的實現(xiàn)C語言程序：#include #include /定義vector數(shù)組 #include /記錄消息using namespace std; const int NUM = 8; /一個字由32比特(或者8個16進制數(shù))const int BIT = 512; /消息認證碼要以512比特一組 /字常量 string H0 = 67452301; string H1 = EFCDAB89; string H2 = 98BADCFE; string H3 = 103

19、25476; string H4 = C3D2E1F0; /定義SHA1(安全哈希算法)類 class SHA1 public: /將一個字符串形式的字轉(zhuǎn)化為vector數(shù)組 vector hex_into_dec(string word); /將vector轉(zhuǎn)化為string字符串形式 string num_into_message(vector A); /兩個字X和Y的邏輯和 vector word_AND(vector A,vector B); /兩個字X和Y的邏輯或 vector word_OR(vector A,vector B); /兩個字X和Y的邏輯異或 vector word_

20、XOR(vector A,vector B); /兩個字X和Y的邏輯補 vector word_COMPLEMENT(vector A); /兩個字X和Y的摸232整數(shù)加 vector word_ADD(vector A,vector B); /將字X循環(huán)左移s個位置 vector ROTL(vector A,int s); /SHA-1的填充方案,我們設(shè)定msg由ASCII碼組成 vectorvector SHA_1_PAD(string msg); /將SHA-1壓成以字為單位 vectorvectorvector compress(vectorvector result); /定義ft函

21、數(shù)，每個ft函數(shù)都有B,C,D三個字作為輸入，并產(chǎn)生一個字作為輸出 vector Ft(int t,vector B,vector C,vector D); /定義字常數(shù)K vector K(int t); /開始進行SHA-1(安全Hash算法)的加密 vectorvector SHA_1(string msg); ; /將vector轉(zhuǎn)化為string字符串形式 string SHA1:num_into_message(vector A) int i; string msg = ; for(i = 0;i = 0 & Ai = 10 & Ai = 15) msg += A + (Ai -

22、10); return msg; /將一個字符串形式的字轉(zhuǎn)化為vector數(shù)組 vector SHA1:hex_into_dec(string word) int i; vector result(NUM,0); for(i = 0;i = 0 & wordi = A & wordi = F) resulti = 10 + wordi - A; return result; /兩個字X和Y的邏輯和 vector SHA1:word_AND(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti =

23、Ai & Bi; return result; /兩個字X和Y的邏輯或 vector SHA1:word_OR(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = Ai | Bi; return result; /兩個字X和Y的邏輯異或 vector SHA1:word_XOR(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = Ai Bi; return result; /兩個字X和Y的

24、邏輯補 vector SHA1:word_COMPLEMENT(vector A) vector result(NUM,0); int i; for(i = 0;i NUM;i+) resulti = 15 - Ai; return result; /兩個字X和Y的摸232整數(shù)加 vector SHA1:word_ADD(vector A,vector B) vector result(NUM,0); int i; for(i = NUM - 1;i = 0;i-) resulti = Ai + Bi; if(i != 0) int temp = resulti / 16; resulti-1

25、 += temp; resulti %= 16; return result; /將字X循環(huán)左移s個位置 vector SHA1:ROTL(vector A,int s) vector result = A; vector temp(NUM,0); int i,j; for(i = 0;i = 0;j-) if(resultj / 8 = 1) tempj = 1; resultj = 1; resultj %= 16; if(j NUM - 1) resultj += tempj + 1; else if(resultj / 8 = 0) tempj = 0; resultj = 1; re

26、sultj %= 16; resultNUM - 1 += temp0; return result; /SHA-1的填充方案,我們設(shè)定msg由ASCII碼組成 vectorvector SHA1:SHA_1_PAD(string msg) int len = msg.length(); int bit_num = len * 8; int i,j; int num,lest = bit_num % 512; if(lest != 0) /看消息長度是否超過512字節(jié)，我們需要將它補成512的倍數(shù) num = bit_num / 512 + 1; else num = bit_num / 51

27、2; /首先我們以8位字節(jié)為一組保存到vector里面，512比特為一組，即一組里面有64位元素 vectorvector result; result.resize(num); for(i = 0;i num;i+) resulti.resize(64); for(i = 0;i num;i+) for(j = 0;j 64 & i * 64 + j len;j+) resultij = msgi * 64 + j; /下面開始為未夠512比特的消息分組進行補長度操作 if(lest != 0) int x = num - 1,last_len = lest / 8; resultxlast

28、_len = 128; /先補一個1 for(i = last_len + 1;i = 56) resultxj = last_l % 128; last_l /= 128; j-; return result; /將SHA-1壓成以字為單位(三維數(shù)組有點復(fù)雜) vectorvectorvector SHA1:compress(vectorvector result) vectorvector rr; rr.resize(result.size(); int i,j; for(i = 0;i rr.size();i+) rri.resize(128); for(i = 0;i result.s

29、ize();i+) for(j = 0;j resulti.size();j+) rri2 * j = resultij / 16; rri2 * j + 1 = resultij % 16; vectorvectorvector rrr; rrr.resize(result.size(); for(i = 0;i rrr.size();i+) rrri.resize(16); for(i = 0;i rrr.size();i+) for(j = 0;j 16;j+) rrrij.resize(8); for(i = 0;i rr.size();i+) for(j = 0;j rri.size

30、();j+) rrrij / 8j % 8 = rrij; return rrr; /定義ft函數(shù)，每個ft函數(shù)都有B,C,D三個字作為輸入，并產(chǎn)生一個字作為輸出 vector SHA1:Ft(int t,vector B,vector C,vector D) vector result; if(t = 0 & t = 19) vector a1 = word_AND(B,C); vector a2 = word_AND(word_COMPLEMENT(B),D); result = word_OR(a1,a2); else if(t = 20 & t = 60 & t = 79) vecto

31、r a1 = word_XOR(B,C); result = word_XOR(a1,D); else if(t = 40 & t = 59) vector a1 = word_AND(B,C); vector a2 = word_AND(B,D); vector a3 = word_AND(C,D); vector a4 = word_OR(a1,a2); result = word_OR(a4,a3); return result; /定義字常數(shù)K vector SHA1:K(int t) vector result; if(t = 0 & t = 20 & t = 40 & t = 60

32、 & t = 79) result = hex_into_dec(CA62C1D6); return result; /開始進行SHA-1(安全Hash算法)的加密 vectorvector SHA1:SHA_1(string msg) vector h0 = hex_into_dec(H0); vector h1 = hex_into_dec(H1); vector h2 = hex_into_dec(H2); vector h3 = hex_into_dec(H3); vector h4 = hex_into_dec(H4); vectorvector result1 = SHA_1_PA

33、D(msg); vectorvectorvector result2 = compress(result1); int n = result2.size(); int i,j; for(i = 0;i n;i+) vectorvector W; W.resize(80); for(j = 0;j 16;j+) Wj = result2ij; for(j = 16;j 80;j+) vector a1 = word_XOR(Wj-3,Wj-8); vector a2 = word_XOR(a1,Wj-14); vector a3 = word_XOR(a2,Wj-16); Wj = ROTL(a

34、3,1); /將string轉(zhuǎn)化為vector數(shù)組 vector A = hex_into_dec(H0); vector B = hex_into_dec(H1); vector C = hex_into_dec(H2); vector D = hex_into_dec(H3); vector E = hex_into_dec(H4); for(j = 0;j 80;j+) vector a1 = ROTL(A,5); vector a2 = Ft(j,B,C,D); vector a3 = word_ADD(a1,a2); vector a4 = word_ADD(a3,E); vector a5 =