電子科學與技術專業實驗室畢業實習報告(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 給出MC805l_eore的頂層設計模塊及其子模塊包括頂層的各個信號端口及3個存儲器模塊同時給出了頂層的輸入輸出I／O口定時/計數器和串行接口單元，對應于圖中的MC805l_tmrctr和MC8051_siu模塊，數量可選擇，圖中用虛線表示MC8051 IP核與工業標準8051單片機不同，MC8051的輸入、輸出并口分別映射到獨立的端口上其頂層各I／O信號的描述如表l所示 MC805lIP核的設計層次及對應的VHDL文件如圖2所示，它由定時／計數器、ALU算數邏輯單元、串行接口單元和控制單元組成RAM及ROM模塊不包括在IP核內處于設計的頂層，方便于不同的應用設計及仿真 圖2中最頂層是用戶的實際應用設計模塊，它將ROM、RAM及mc8051_core封裝在內部實際應用中用戶可添加自定義附加邏輯模塊，與設計層次中的RAM、ROM模塊處于同一個層次 MATLAB軟件及其在數字系統設計中的介紹 MATLAB簡介MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。　　MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 MATLAB軟件在數字系統設計中的應用（1）MATLAB簡介MATLAB大大降低了對使用者的數學基礎和計算機語言知識的要求，既使用戶不懂C或FORTRAN這樣的程序設計語言，也可使用MATLAB輕易的再現C或FORTRAN語言幾乎全部的功能 ，設計出功能強大、界面優美、穩定可靠的高質量程序來，而且編程效率和計算效率極高。盡管MATLAB開始并不是為控制理論與系統的設計者們編寫的，但以它“語言”化的數值計算、強大的矩陣處理及繪圖功能等很快就為自動控制界研究人員所矚目。（2）matlab的工具箱功能型工具箱 —— 通用型功能型工具箱主要用來擴充matlab的數值計算、符號運算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能，能夠用于多種學科。領域型工具箱 —— 專用型領域型工具箱是學科專用工具箱，其專業性很強，比如控制系統工具箱（ Control System Toolbox）；信號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）；財政金融工具箱（ Financial Toolbox）等等。（3）MATLAB的磁盤文件由于MATLAB本身可以被認為是一高效的語言，所以用它可編寫出具有特殊意義的磁盤文件來，這些磁盤文件是由一系列的MATLAB語句組成，它既可能是一系列窗口命令語句，又可以是由各種控制語句和說明語句構成的函數文件。
由于它們都是由ASCII碼構成的, 其擴展名均為“.m”，故統稱為m文件。MATLAB命令語句能即時執行，每輸入完一條命令，MATLAB就立即對其處理，并得出中間結果，完成了MATLAB所有命令語句的輸入,也就完成了它的執行，直接便可得到最終結果。從這一點來說，MATLAB清晰地體現了類似“演算紙”的功能MATLAB強大的數組運算功能，決定了它很容易對一大批數據進行一般的數據分析，如求數組的極值、平均值、中值、和、積、標準差、方差、協方差和排序等。 SRAM、SDRAM、FLASH存儲器的工作原理及控制方式 SRAM存儲器的工作原理及控制方式（1）SRAM的組成SRAM通常由地址譯碼器、存儲矩陣、控制邏輯和三態數據緩沖器組成。下圖是10241位的SRAM結構示意圖。圖3 SRAM內部結構圖1）存儲矩陣一個基本存儲單元存放一位二進制信息，一塊存儲器芯片中的基本存儲單元電路按字結構或位結構的方式排列成矩陣。按字結構方式排列時，讀/寫一個字節的8位制作在一塊芯片上，若選中，則8位信息從一個芯片中同時讀出，但芯片封裝時引線較多。例如1K位的存儲器芯片由1288組成，訪問它要7根地址線和8根數據線。位結構是1個芯片內的基本單元作為不同字的同一位，8位由8塊芯片組成。位結構方式的優點是芯片封裝時引線較少，例如1K位存儲器芯片由l024l組成，訪問它要l0根地址線和l根數據線，但使用芯片為8塊。封裝引線數減少，成品合格率就會提高，因此，存儲器芯片大多采用位結構形式。2）地址譯碼器CPU讀/寫一個存儲單元時，先將地址送到地址總線，高位地址經譯碼后產生片選信號選中芯片，低位地址送到存儲器芯片，由地址譯碼器譯碼選中所需要的片內存儲單元，最后在讀/寫信號控制下將存儲單元內容讀出或寫入。地址譯碼器完成存儲單元的選擇，通常有線性譯碼(單譯碼)和復合譯碼(雙譯碼)兩種方式。線性譯碼是只用一個地址譯碼器電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中與輸入碼對應的存儲單元。而復合譯碼是將地址線分為X和Y兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。X向譯碼又稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元。Y向譯碼又稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元。只有X向和Y向的選擇線同時選中的那一位存儲單元，才能進行讀或寫操作。3）控制邏輯與三態數據緩沖器存儲器讀/寫操作由CPU控制，CPU送出的高位地址經譯碼后，送到控制邏輯的端。信號為片選信號，有效，存儲器芯片選中，允許對其進行讀/寫操作，當讀/寫控制信號、送到存儲器芯片的端時，存儲器中的數據經三態數據緩沖器的D7～D0端送到數據總線上或將數據寫入存儲器。（2）典型SRAM芯片Intel 6116目前各種中、高檔PC系列微機和工作站普遍采用SRAM芯片組成CPU外部的高速緩沖存儲器Cache，在一般的單片機開發系統、單板機系統及早期的低檔微機中，多采用SRAM構成存儲器的RAM子系統。各種SRAM芯片的引腳信號基本相同。不過其存儲容量不同，則地址線的根數不同；其存儲位數不同，則數據線的根數不同。芯片的片選控制線，一般設置一根信號線或。讀/寫控制線的設置方法有兩種：一種只設一根“寫使能”線，當＝0時為寫允許，當＝1時為讀允許；另一種是設兩根讀/寫控制線和，＝0為讀允許，而＝0為寫允許。 SDRAM存儲器的工作原理及控制方式SDRAM (同步DRAM)是為把DRAM操作同步到計算機系統其余部分，而不需要根據CE (芯片啟動活動低)、RAS、CAS和WE邊沿轉換順序定義所有內存操作模式而設計的。SDRAM增加了時鐘信號和內存命令的概念。內存命令的類型取決于SDRAM 時鐘上升沿上的CE, RAS,CAS 和WE 信號狀態。產品資料根據CE, RAS,CAS 和WE 信號狀態，以表格形式描述內存命令。例如，Activate (激活)命令向SDRAM發送一個行地址，打開內存的一個行(頁面)。然后是一個Deselect (反選)命令序列，在對列地址發送Read 或Write 命令前滿足定時要求。一旦使用Activate命令打開內存的行(頁面)，那么可以在內存的該行(頁面)上運行多個Read和Write命令。要求Precharge(預充電)命令，關閉該行，然后才能打開另一行。SDRAM從發展到現在已經經歷了四代，分別是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM.(顯卡上的DDR已經發展到DDR5)　　第一代與第二代SDRAM均采用單端（SingleEnded）時鐘信號,第三代與第四代由于工作頻率比較快，所以采用可降低干擾的差分時鐘信號作為同步時鐘。　　SDR SDRAM的時鐘頻率就是數據存儲的頻率，第一代內存用時鐘頻率命名，如pc100，pc133則表明時鐘信號為100或133MHz，數據讀寫速率也為100或133MHz。　　之后的第二，三，四代DDR（Double Data Rate）內存則采用數據讀寫速率作為命名標準，并且在前面加上表示其DDR代數的符號，PC即DDR，PC2=DDR2，PC3=DDR3。如PC2700是DDR333，其工作頻率是333/2=166MHz。DDR的讀寫頻率從DDR200到DDR400，DDR2從DDR2400到DDR2800，DDR3從DDR3800到DDR31600。 FLASH存儲器的工作原理及控制方式FLASH存儲器是閃速存儲器，它的主要特點是在不加電的情況下能長期保持存儲的信息。就其本質而言，Flash Memory屬于EEPROM(電擦除可編程只讀存儲器)類型。它既有ROM的特點，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重寫， 功耗很小。閃存的存儲單元為三端器件，與場效應管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來保護浮置柵極中的電荷不會泄 漏。采用這種結構，使得存儲單元具有了電荷保持能力，就像是裝進瓶子里的水，當你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。圖4 閃存存儲單元結構圖與場效應管一樣，閃存也是一種電壓控制型器件。NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進行充電（寫數 據）或放電（擦除數據）。而NOR型閃存擦除數據仍是基于隧道效應（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數據時則是采用熱電子注入方式（電流從浮置柵極到 源極）。目前各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發性內存，只要停止電流供應內存中的數據便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數據重新載入內存； 閃存則是一種不揮發性（ NonVolatile ）內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。 NAND閃存的存儲單元則采用串行結構，存儲單元的讀寫是以頁和塊為單位來進行（一頁包含若干字節，若干頁則組成儲存塊，NAND的存儲塊大小為8到32KB），這種結構最大的優點在于容量可以做得很大，超過512MB容量的NAND產品相當普遍， NAND閃存的成本較低，有利于大規模普及。 NAND 閃存的缺點在于讀速度較慢，它的I/O端口只有8個，比NOR要少多了。這區區 8個I/O 端口只能以信號輪流傳送的方式完成數據的傳送，速度要比NOR閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上NAND閃存的邏輯為電子盤模塊結構，內部不存在專門的存儲控制器，一旦出現數據壞塊將無法修，可靠性較NOR閃存要差。 　　NAND閃存被廣泛用于移動存儲、數碼相機、 MP3播放器、掌上電腦等新興數字設備中。由于受到數碼設備強勁發展的帶動， NAND閃存一直呈現指數級的超高速增長.　　NOR和NAND是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發出NOR flash技術,徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著,1989年,東芝公司發表了NAND flash結構,強調降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之后,仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。　　相“flash存儲器”經常可以與相“NOR存儲器”互換使用。許多業內人士也搞不清楚NAND閃存技術相對于NOR技術的優越之處,因為大多數情況下閃存只是用來存儲少量的代碼,這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。 　　NOR的特點是芯片內執行(XIP, eXecute In Place),這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高,在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND結構能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統接口。六、實習過程1. VGA接口的動畫顯示控制（一）設計原理——VGA信號時序圖5所示是計算機VGA(640480，60Hz圖像格式的信號時序圖，,。圖中Vsync為場同步信號，每場有525行，其中480行為有效顯示行，45行為場消隱期。場同步信號Vs每場有一個脈沖，該脈沖的低電平寬度twv為63us（2行）。場消隱期包括場同步時間twv、場消隱前肩thv（13行）、場消隱后肩tvh（30行），共45行。，每顯示行包括800點，其中640點為有效顯示區，160點為行消隱期（非顯示區）。圖5 圖像格式的信號時序 同步信號Hs每行有一個脈沖，（即96個DCLK）；行消隱期包括行同步時間twh，行消隱前肩thc（19個DCLK）和行消隱后肩tch（45個DCLK），共160個點時鐘(復合消隱信號是行消隱信號和場消隱信號的邏輯與，在有效顯示期復合消隱信號為高電平，在非顯示區域它是低電平。(二)設計方案——VGA時序信號及彩條信號的產生 在設計彩色PDP的存儲和控制電路時，使用了Altera公司的FPGA來對圖像進行存儲和整理，并產生驅動電路需要的各種控制波形。為了方便調試電路，開始調試時，不是使用接口電路板，而是使用FPGA中的剩余邏輯來產生VGA，SVGA等格式的時序信號和彩條信號，所產生的信號穩定可靠。同時，還可以通過彩條模式選擇按鍵的控制來改變彩條模式，產生豎彩條、橫彩條、棋盤格等各種彩條模式，極大地方便了電路調試。下面僅以VGA格式為例作簡單的介紹。1. VGA時序信號產生模塊VGA時序信號產生模塊包括行點數計數器h_t、場