计算机组成原理课程设计报告-四路智力竞赛抢答器文档.doc资源-CSDN文库

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1 引言

无论是在学校、工厂、军队还是益智性电视节目, 都会举办各种各样的智力竞赛,

都会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器, 但绝大多数是早期设计

的, 以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这部分抢答器已相

当成熟, 但功能越多的电路相对来说就越复杂, 且成本偏高, 故障高, 显示方式简单( 有

的甚至没有显示电路) , 无法判断提前抢按按钮的行为, 不便于电路升级换代。本设计就

是基于VHDL设计的一个智力竞赛抢答器尽量使竞赛真正达到公正、公平、公开。

1.1 设计的目的

本次设计的目的就是在掌握EDA实验开发系统的初步使用基础上，了解EDA技术，

了解并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL语言结合电子电

路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，学习VHDL基本单元电路的综合设

计应用。通过对智力竞赛抢答器的设计，巩固和综合运用所学课程，理论联系实际，提

高设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。本文采用经８输入

与非门和非门后的反馈信号的高电平作为解锁存，用555定时器的模型来倒计时，同时

以脉冲信号来控制加法器和减法器来控制抢答过程中的计分，应用二极管和数码显示管

为主要部件来设计扫描显示器。通过课程设计深入理解VHDL语言的精髓和掌握运用所

学的知识，达到课程设计的目标。

1.2 设计的基本内容

本文是设计的一个四路智力竞赛抢答器，利用 VHDL 设计抢答器的各个模块，并使

用 EDA 工具对各模块进行仿真验证。智力竞赛抢答器的设计分为四个模块：鉴别锁存

模块；答题计时模块；抢答计分模块以及扫描显示模块。把各个模块整合后，通过电路

的输入输出对应关系连接起来。设计成一个有如下功能的抢答器：

（1）具有第一抢答信号的鉴别锁存功能。在主持人发出抢答指令后，若有参赛者

按抢答器按钮，则该组指示灯亮，显示器显示出抢答者的组别。同时电路处于自锁状态，

使其他组的抢答器按钮不起作用。

（2）具有计分功能。在初始状态时，主持人可以设置答题时间的初始值。在主持

人对抢答组别进行确认，并给出倒计时计数开始信号以后，抢答者开始回答问题。此时，

显示器从初始值开始计时，计至 0 时停止计数。

（3）具有计分功能。在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值。第三者组

2 EDA、VHDL 简介

2.1 EDA 技术

EDA 技术是在电子 CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为

工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进

行电子产品的自动设计。利用 EDA 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始

设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分

析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的整个过程在计算机上自动处理完成。现在对 EDA 的

概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、

军事等各个领域，都有 EDA 的应用。目前 EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科

研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行

模拟，都可能涉及到 EDA 技术。本文所指的 EDA 技术，主要针对电子电路设计、PCB

设计和 IC 设计。EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

2.2 硬件描述语言——VHDL

2.2.1 VHDL 的简介

VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription

Language,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。自 IEEE 公布了 VHDL 的标准版本，IEEE-1076（简称 87 版)之后，各 EDA

公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和 VHDL 接口。

此后 VHDL 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述

语言。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

VHDL 的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 1076-1993 版本，（简称 93

版）。现在，VHDL 和 Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，又得到众多 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。有专家认为，在新

的世纪中，VHDL 于 Verilog 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。

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（或称可是部分,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 比其它硬件描述语言相比有以下优点：

（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL 具有更强的行为描述能力，从而决定了

他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，

从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。

（2）VHDL 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设

计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。

（3）VHDL 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解

和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，

高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。（4）对于用 VHDL

完成的一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑综合和优化，并自动的把 VHDL

描述设计转变成门级网表。

（5）VHDL 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理

最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。

2.2.2VHDL 语言的特点

应用 VHDL 进行系统设计，有以下几方面的特点。

（一）功能强大

VHDL 具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。

并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。VHDL 是一种

设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。

（二）可移植性

VHDL 语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的 EDA 工具支持。它可以从

一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个

工作平台移植到另一个工作平台。此外，通过更换库再重新综合很容易移植为 ASIC 设

计。

（三）独立性

VHDL 的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。设计者可以不懂硬件的结构，

也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。程序设计的硬件目标器

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