多功能数字时钟的设计
1 绪论
1.1设计目的
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，加深对计算机体系结构的理解。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。通过对实用数字钟的设计，巩固和综合运用计算机原理的基本理论和方法，理论联系实际，提高设计、分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。
1.2设计要求
（1）熟练掌握VHDL语言的结构特点并能运用到具体实际中。 （2）学会利用复杂的可编程逻辑器件进行简单的电子系统设计。 （3）熟悉并掌握基于EDA实验开发系统设计实际问题的方法和步骤。 （4）通过设计过程提高自己运用所学知识来分析解决问题的能力。
1.3设计内容
本课程设计中使用Altera公司的EP2C35系列的FPGA芯片，利用SOPC-NIOSII-EP2C35开发板上的资源和QuartusII软件，实现一个多功能数字时钟。本设计的任务要求显示格式为 小时－分钟－秒钟，整点报时，报时时间为10秒，即从整点前10秒钟开始进行报时提示，喇叭开始发声，直到过整点时，在 5秒LED开始闪烁，过整点后，停止闪烁。系统时钟选择时钟模块的10KHz，要得到1Hz时钟信号，必须对系统时钟进行10,000次分频。调整时间的的按键用按键模块的S1和S2，S1调节小时，每按下一次，小时增加一个小时，S2调整分钟，每按下一次，分钟增加一分钟。另外用S8按键作为系统时钟复位，复位后全部显示00－00－00。扩展内容：用16*16点阵显示实现日期的动态显示用4×4键盘阵列键盘替换按键实现日期、时钟的调整，用液晶显示模块日期、时间的显示。
1.4设计环境
本次课题设计方要用到的开发环境是Altera公司的EDA设计工具软件
QuartusII。
Altera公司的工作与EDA厂家紧密结合，使QuartusII软件可以与其它工业标准的设计输入、综合和校验工具相连接。设计者可以使用Altera或标准EDA输入工具进行设计，使用QuartusII编译器对Altera器件的设计进行编译，并使用Altera或其它EDA校验工具进行仿真。目前，QuartusII支持与Cadence,Mentor Graphics, Synopsys, Viewlogic等EDA工具接口。
QuartusII的设计输入、处理和校验功能都集中在统一的开发环境下，这样可以加快动态调试，缩短开发周期。
QuartusII软件支持多种硬件描述语言设计输入，包括VHDL,Verilog HDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。
QuartusII软件提供丰富的库单元供设计调用，其中包括74系列的全部器件和一些基本的逻辑门，多种特殊的逻辑宏功能(Macro-Function)以及新型的参数化的兆功能(Mage-Function).调用库单元进行设计，可以大大减轻工作量。
2 VHDL简介
2.1VHDL硬件描述语言简介
模块是VHDL的基本描述单位，用于描述某个设计的功能或结构及其与其他模块通信的外部端口。一个设计的结构可使用开关级原语、门级原语和用户定义的原语方式描述; 设计的数据流行为使用连续赋值语句进行描述; 时序行为使用过程结构描述。一个模块可以在另一个模块中使用。
说明部分用于定义不同的项，例如模块描述中使用的寄存器和参数。语句定义设计的功能和结构。说明部分和语句可以散布在模块中的任何地方；但是变量、寄存器、线网和参数等的说明部分必须在使用前出现。为了使模块描述清晰和具有良好的可读性, 最好将所有的说明部分放在语句前。本书中的所有实例都遵守这一规范。
在模块中，可用下述方式描述一个设计： (1) 数据流方式; (2) 行为方式; (3) 结构方式;
(4) 上述描述方式的混合。
VHDL模型中的所有时延都根据时间单位定义。
在顺序过程中出现的语句是过程赋值模块化的实例。模块化过程赋值在下一条语句执行前完成执行。过程赋值可以有一个可选的时延。
时延可以细分为两种类型:
(1) 语句间时延: 这是时延语句执行的时延。
(2) 语句内时延: 这是右边表达式数值计算与左边表达式赋值间的时延。 在VHDL中可使用如下方式描述结构: (1) 内置门原语(在门级)； (2) 开关级原语(在晶体管级)； (3) 用户定义的原语(在门级)； (4) 模块实例 (创建层次结构)。
3 各模块电路及其简介
3.1 分频器模块
图3.1 分频器模块
因为本实验选用频率为10KHZ，对于秒表的计时和进行数码管的动态扫描来说，频率都太大了，因此要将10KHz进行分频处理，本次设计将分成1Hz频率。
3.2 控制调节模块
图3.2 控制调节模块
本模块用于时间与日期的切换与时间的调节、日期的调节以及复位调节，其中K1用于时间与日期的切换，S1、S2用于时间的调节，S3、S4、S5用于日期的调节，最后S8为复位按键。
3.3 报警模块
图3.3 报警模块
报警模块中有两个报警输出，其一为蜂鸣器，在整点前十秒开始发声；其二为LED灯显示输出，在最后5秒按照一定的规律亮灯。本模块受到前一模块输出分、秒的控制。
3.4 数码管显示模块
图3.4 数码管显示模块
很显然，此模块是用来进行数码管显示的，先进行动态扫描，然后将程序中要求输出的部分通过7段数码管显示出来。其中K1用于控制显示部分是日期还是时间。比之于静态显示，动态显示有着不可替代的优点：占用数据线少，
功耗
小。
3.5 16*16点阵控制模块
图3.5 16*16点阵控制模块
本模块用于控制后面的16*16点阵显示模块，其中keyc用于控制点阵的行扫描，S为4根数据总线，用于控制点阵数据的动态显示。
3.6 16*16点阵显示模块