VHDL在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2019-11-03 19:04:50

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劉云仙　浙江科技學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)系

　　摘　要: 硬件描述語(yǔ)言已成為當(dāng)今以及未來(lái)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)解決方案的核心，特別是對(duì)于深亞微米復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件描述語(yǔ)言具有獨(dú)特的作用。本文利用硬件描述語(yǔ)言中的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言VHDL，設(shè)計(jì)了一個(gè)空調(diào)機(jī)控制器電路，并通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。結(jié)果表明，VHDL在數(shù)字電子電路的設(shè)計(jì)中具有硬件描述能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)方法靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：VHDL；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化；空調(diào)機(jī)控制器

　　近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法已大大落后于當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展。一種嶄新的、采用硬件描述語(yǔ)言的硬件電路設(shè)計(jì)方法已經(jīng)興起，硬件描述語(yǔ)言是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）領(lǐng)域的一次重大變革。目前，廣泛使用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL（V ery High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）[1]和Ve rilog HDL，它們先后被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。

　　利用硬件描述語(yǔ)言VHDL，數(shù)字電路系統(tǒng)可從系統(tǒng)行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和門(mén)級(jí)三個(gè)不同層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，即上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設(shè)計(jì)思想，用一系列分層次的模塊來(lái)表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后，利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，逐層進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再把其中需要變?yōu)閷?shí)際電路的模塊組合，經(jīng)過(guò)自動(dòng)綜合工具轉(zhuǎn)換到門(mén)級(jí)電路網(wǎng)表。接著，再用專用集成電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)自動(dòng)布局布線工具 [2～3]，把網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實(shí)現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。目前，這種高層次設(shè)計(jì)(highleveldesign)的方法已被廣泛采用[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在美國(guó)硅谷約有90%以上的ASI C和FPGA采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。VHDL的應(yīng)用已成為當(dāng)今以及未來(lái)EDA解決方案的核心，而且是復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

　　筆者以Max＋plus Ⅱ軟件作為平臺(tái)的一個(gè)空調(diào)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)為例，談?wù)刅HDL在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

1 VHDL的特點(diǎn)

　　VHDL語(yǔ)言主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，與其他硬件描述語(yǔ)言相比，VH DL語(yǔ)言有如下優(yōu)越之處：① VHDL語(yǔ)言支持自上而下（Top Down）和基于庫(kù)（LibraryBase ）的設(shè)計(jì)方法，還支持同步電路、異步電路、FPGA以及其他隨機(jī)電路的設(shè)計(jì)；② VHDL語(yǔ)言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門(mén)級(jí)電路，其高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用，還可以自定義數(shù)據(jù) 類型，給編程人員帶來(lái)較大的自由和方便；③VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必關(guān)心最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么；④VHDL具有電路仿真與驗(yàn)證功能，可以保證設(shè)計(jì)的正確性，用戶甚至不必編寫(xiě)如何測(cè)試相量便可以進(jìn)行源代碼級(jí)的調(diào)試，而且設(shè)計(jì)者可以非常方便地比較各種方案之間的可行性及其優(yōu)劣，不需做任何實(shí)際的電路實(shí)驗(yàn)；⑤ VHDL語(yǔ)言可以與工藝無(wú)關(guān)編程；⑥ VHDL語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，易于共享和復(fù)用。

2 VHDL的應(yīng)用實(shí)例

　　實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器，常用有限狀態(tài)機(jī)方法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要包括5個(gè)過(guò)程：確定原始狀態(tài)圖，狀態(tài)簡(jiǎn)化，狀態(tài)編碼，觸發(fā)器類型的選擇及控制邏輯方程和輸出方程的確定，畫(huà)出電路原理圖。采用這種方法設(shè)計(jì)復(fù)雜狀態(tài)機(jī)將會(huì)十分繁雜。

　　利用VHDL來(lái)設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)，可以充分發(fā)揮硬件描述語(yǔ)言的抽象能力，進(jìn)行功能描述，而具體的邏輯化簡(jiǎn)和電路設(shè)計(jì)可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，從而提高了設(shè)計(jì)的工作效率，并且條理清晰，修改起來(lái)也更方便，所以很適合復(fù)雜時(shí)序電路的設(shè)計(jì)。

　　應(yīng)用VHDL設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的步驟如下：

　　① 根據(jù)系統(tǒng)要求確定狀態(tài)數(shù)量、狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件和各狀態(tài)輸出信號(hào)的賦值，并畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn) 移圖；② 按照狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編寫(xiě)有限狀態(tài)機(jī)的VHDL程序；③ 利用EDA工具進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證；④ 編程下載。

2.1空調(diào)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

　　空調(diào)機(jī)控制器原理如圖1所示，它的兩個(gè)輸入來(lái)自溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度。如果室內(nèi)溫度正常，則temp-high和temp-low均為‘0’；如果室內(nèi)溫度過(guò)高，則temp-high為‘1’，temp-low為‘0’；如果室內(nèi)溫度過(guò)低，則temp-high為‘0’，temp-low為‘1’。根據(jù)temp-high和temp-low的值來(lái)決定當(dāng)前的工作狀態(tài)，并給出相應(yīng)的制冷(coo l)和制熱(heat)輸出信號(hào)。

　　根據(jù)以上描述，空調(diào)機(jī)控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。其中：

　　S0——空調(diào)機(jī)待機(jī)狀態(tài)；

　　S1——空調(diào)機(jī)制冷狀態(tài)；

　　S2——空調(diào)機(jī)制熱狀態(tài)；

　　①——temp-high和temp-low均為‘0’；

　　②——temp-low為‘1’；

　　③——temp-high為‘1’；

　　④——reset為‘1’。

　　按照上述狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編寫(xiě)VHDL程序，編程中采用case語(yǔ)句來(lái)描述狀態(tài)的改變，它具有直觀、條理清晰及易于修改等特點(diǎn)。也可以采用不同進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的改變，所以編程方法多種。

2.2 功能仿真

　　利用Max＋plusⅡ軟件工具對(duì)所編程序進(jìn)行編譯、仿真。仿真結(jié)果如圖3所示,當(dāng)temp-low 為“1”，即溫度過(guò)低，則heat為“1”（制熱）；當(dāng)temp-high為“1”，即溫度過(guò)高，則 cool為“1” （制冷）。經(jīng)綜合后的仿真分析表明，該方案是合理可行的。通過(guò)仿真后，即可編程下載。

3 結(jié) 論

　　通過(guò)對(duì)空調(diào)器控制器電路的VHDL的仿真實(shí)現(xiàn)，表明VHDL在數(shù)字電子電路的設(shè)計(jì)中具有硬件描述能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)方法靈活、易于修改等特點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)迅速朝著更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC，System on Chip）方向發(fā)展，從而使可編程ASIC的設(shè)計(jì)逐步向高層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移。作為一種重要的高層次設(shè)計(jì)技術(shù)，VHDL已成為當(dāng)代電子設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)數(shù)字硬件時(shí)必須掌握的一種方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 冼凱儀.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化中的硬件描述語(yǔ)言[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，(4)：7 6－78.[2] 胡振華.VHDL與FPGA設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[3] 王華，王汝傳，吳凡.基于VHDL語(yǔ)言的FPGA設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2002，(1 1)：20－22.

[4] 胡劍，沈緒榜.部分譯碼方式桶式移位器及其VHDL實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)， 2003，(2)：34－35.

摘自　浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)

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