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第1章 VHDL 语法概要1

1.1 概述2

1.2 语言特性2

1.3 VHDL 语法规则3

1.3.1 标识符3

1.3.2 数据对象3

1.3.3 数据类型5

1.3.4 运算符9

1.4 语句结构分类12

1.4.1 库12

1.5 并行语句13

1.4.2 实体说明13

1.4.3 结构定义13

1.5.1 信号赋值14

1.5.2 变量赋值14

1.5.3 when_else(多输入条件，单输出语句)15

1.5.4 with_select_when(单输入条件，单输出语句)15

1.5.5 for_generate 语句15

1.5.6 process 语句16

1.5.7 block 语句17

1.5.8 过程调用17

1.5.9 元件例化18

1.6 顺序性语句20

1.6.1 条件语句 if_then_else20

1.6.2 选择语句 case_when(单输入条件，多输出语句)21

1.6.3 循环语句 for_loop22

1.6.4 循环语句 while_loop22

1.6.5 等待语句 wait_until23

1.6.6 function 语句23

1.7 程序包24

第2章 基本数字逻辑电路设计27

2.2.1 锁存器28

2.2 数字信号传输控制28

2.1 简介28

2.2.2 多路选择器 multiplexer29

2.2.3 三态门29

2.2.4 双向输入/输出端口30

2.2.5 内部(缓冲)信号30

2.3 组合逻辑电路设计31

2.3.1 编码转换31

2.3.2 多路选择器31

2.3.3 加法器34

2.3.4 编码器/译码器35

2.3.5 4位乘法器37

2.3.6 只读存储器(16x8 ROM)38

2.4 时序逻辑电路设计39

2.4.1 RSFF 触发器39

2.4.2 DFF 触发器40

2.4.3 JKFF 触发器41

2.4.4 计数器41

2.4.5 分频器46

2.4.6 寄存器47

2.4.7 状态机50

第3章 自动售货机59

3.3 实验电路安排60

3.1 自动售货机功能概述60

3.2 自动售货机外观60

3.4 系统设计说明62

3.4.1 entity 定义模块62

3.4.2 architecture 模块64

3.4.3 产生退币闪烁信号的电路模块(return_clk)65

3.4.4 投入10元硬币的处理电路模块(coin_10_counting)67

3.4.5 投入5元硬币的处理电路模块(coin_5_counting)68

3.4.6 饮料选择处理电路模块(select_drink)69

3.4.7 确认与取消处理电路模块(ok_or_cancel)71

3.4.8 退币处理电路模块(coin_returned)72

3.4.9 出货并计算存货电路模块(give_check)75

3.5 debouncing 电路模块78

3.6 FPGA 制作讨论81

第4章 电子钟83

4.1 电子钟功能概述84

4.2 电子钟外观84

4.3 共享组件与程序包的设计说明84

4.3.1 1Hz_generator 组件87

4.3.2 count60组件88

4.3.3 count24组件90

4.3.4 alarm_set 组件91

4.3.5 stop_watch 组件94

4.3.6 i60bcd 组件96

4.3.7 i24bcd 组件98

4.3.8 bin21ed 组件99

4.3.9 七段显示器扫描输出电路模块(display)101

4.3.10 entity 模块104

4.3.11 architecture 模块106

4.3.12 正常计数时间功能模块108

4.3.13 定时器设定与计时功能模块109

4.3.14 闹钟设定与时间对比功能模块109

4.3.15 输出选择与数码转换功能模块110

4.3.16 扫描多路输出功能模块112

4.4 FPGA 制作讨论114

第5章 红绿灯交通信号系统115

5.1 红绿灯交通信号系统功能概述116

5.2 红绿灯交通信号系统外观116

5.3 实验电路安排117

5.4 红绿灯交通信号系统的 VHDL 模块图117

5.5 红绿灯交通信号系统 VHDL 程序设计说明119

5.5.1 clk_gen 时钟发生电路(即分频电路) 的 VHDL 设计说明119

5.5.2 traffic_mux 计数秒数选择电路的 VHDL 程序设计说明124

5.5.3 count_down 倒计时控制电路的 VHDL 程序设计说明127

5.5.4 traffic_fsm 红绿灯信号控制电路的 VHDL 程序设计说明131

5.6 建造一个属于自己的程序包(package)142

5.6.1 traffic 红绿灯信号系统电路的 VHDL 程序设计说明145

5.7 FPGA 制作讨论148

第6章 步进电机定位控制系统149

6.1 步进电机定位控制系统功能概述150

6.2 步进电机定位控制系统的 VHDL 模块图150

6.3 步进电机速度控制系统 VHDL 程序设计说明151

6.3.1 entity 模块152

6.3.2 architecture 模块154

6.3.3 步进电机方向设定电路模块154

6.3.4 步进电机步进移动与定位控制电路模块160

6.3.5 编码输出电路模块162

6.4 FPGA 制作讨论163

第7章 直流电机速度控制系统165

7.1 直流电机速度控制系统功能概述166

7.1.1 电机加速166

7.1.2 电机减速166

7.1.3 电机定速167

7.1.4 速度检测168

7.2 实验电路安排168

7.4 直流电机速度控制系统 VHDL 程序设计说明169

7.3 直流电机速度控制系统的 VHDL 模块图169

7.5 FPGA 制作讨论183

第8章 计算器185

8.1 加法器/减法器电路设计186

8.1.1 全加器电路186

8.1.2 四位逐位进位加法器188

8.1.3 二进制编码的十进制(BCD)加法器电路189

8.1.4 BCD 码取9补码电路191

8.1.5 一个字符的 BCD 加/减法器193

8.1.6 三个字符的 BCD 加/减法器195

8.1.7 负数取补修正电路197

8.1.8 寄存器电路199

8.1.9 倒数计数器电路200

8.1.10 加/减法器电路201

8.2 乘法器电路设计205

8.2.1 左移位寄存器电路207

8.2.2 右移位寄存器电路209

8.2.3 2选1选择器210

8.2.4 乘法器电路211

8.3 除法器电路设计216

8.4 键盘扫描电路设计224

8.4.1 分频器电路225

8.4.2 键盘扫描计数器电路226

8.4.3 按键检测电路227

8.4.4 按键抖动消除电路229

8.4.5 键盘编码电路230

8.5 显示电路设计234

8.5.1 七段显示器扫描电路234

8.5.2 计数译码电路235

8.5.3 BCD 多路选择器236

8.5.4 BCD 对应七段显示器编码电路237

8.5.5 显示电路整合239

8.6 FPGA 制作讨论241

第9章 点阵列 LED 显示控制系统243

9.1 点阵列 LED 显示控制系统功能概述244

9.1.1 点阵列 LED 显示组件的介绍244

9.1.2 扫描式显示原理的介绍244

9.1.3 字符字形的编码245

9.2 单一字符显示电路246

9.2.1 硬件电路结构设计246

9.2.2 单一字符显示电路的 VHDL 程序设计说明247

9.2.3 仿真波形图254

9.3 八位数字字符显示电路256

9.3.1 硬件电路结构设计256

9.3.2 八位数字字符显示电路的 VHDL 程序设计说明257

9.3.3 仿真波形图264

9.4 独立式扫描电路模块266

9.4.1 独立式扫描电路模块的 VHDL 程序设计说明267

9.4.2 仿真波形图272

9.5 水平式扫描显示电路273

9.5.1 水平式扫描法273

9.5.2 程序代码274

9.5.3 仿真结果277

9.6 结束语279

9.7 FPGA 制作讨论279

附录281