基于VHDL的數(shù)字系統(tǒng)層次化設(shè)計(jì)方法

趙輝

（天津理工大學(xué) 中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electronic Design Automation）是隨著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)。它是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，以EDA軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言 HDL（Hardware Description Language）為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）為實(shí)驗(yàn)載體，以專用集成電路（ASIC）芯片為設(shè)計(jì)的目標(biāo)器件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術(shù)[1-2]。參考文獻(xiàn)[3-6]闡述了隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展EDA技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，直到20世紀(jì)90年代EDA技術(shù)得到全新的發(fā)展。這一階段的主要特征是以高級(jí)硬件描述語(yǔ)言 （VHDL、AHDL或 Verilog HDL）、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)為特點(diǎn)，采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化。

EDA技術(shù)的關(guān)鍵之一是用硬件描述語(yǔ)言對(duì)硬件電路進(jìn)行描述。在各種類型的硬件描述語(yǔ)言中，超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一種全方位的硬件描述語(yǔ)言，1987年被IEEE和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言[7-8]。它用軟件編程的方式來(lái)描述硬件系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，包括系統(tǒng)行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和邏輯門級(jí)多個(gè)設(shè)計(jì)層次，支持結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、行為3種描述形式的混合描述，幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語(yǔ)言的功能，整個(gè)“自頂向下”或“自底向上”的電路設(shè)計(jì)過(guò)程都可以用VHDL來(lái)完成。在電子設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域，它承擔(dān)了幾乎全部數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，更適合大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以Altera公司提供的MAX+PLUS II為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，介紹基于VHDL的數(shù)字系統(tǒng)層次化設(shè)計(jì)方法。

1 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成

本設(shè)計(jì)中的數(shù)字頻率計(jì)是一個(gè)8位十進(jìn)制數(shù)字頻率計(jì)，它由3個(gè)模塊組成：一個(gè)測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器模塊TESTCTL、8個(gè)具有時(shí)鐘使能的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊CNT10和一個(gè)32 bit鎖存器模塊REG32B。數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)的頂層電路原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字頻率計(jì)的頂層電路

2 各模塊電路的設(shè)計(jì)及仿真

2.1 測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

頻率測(cè)量的基本原理是計(jì)算每秒中內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，這就要求測(cè)頻信號(hào)發(fā)生器TESTCTL的計(jì)數(shù)使能信號(hào)TSTEN能產(chǎn)生一個(gè)1 s脈寬的周期信號(hào)，并對(duì)頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器的使能端EN進(jìn)行同步控制。當(dāng)TSTEN為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)；低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并保持其所計(jì)的數(shù)。在停止計(jì)數(shù)期間，首先需要一個(gè)鎖存信號(hào)LOAD的上升沿將計(jì)數(shù)器在前1 s鐘計(jì)數(shù)值鎖存進(jìn)32 bit鎖存器REG32B，由外部的7段譯碼器譯出并穩(wěn)定顯示。鎖存信號(hào)之后，必須有一清零信號(hào)CLR對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，為下一秒鐘的計(jì)數(shù)作準(zhǔn)備。測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器模塊用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，程序如下：

將該模塊的設(shè)計(jì)通過(guò)MAX+PLUS II軟件進(jìn)行輸入、編譯、邏輯綜合和功能仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器的仿真結(jié)果

2.2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

此計(jì)數(shù)器的特殊之處在于有一個(gè)時(shí)鐘使能輸入端EA，用于鎖定計(jì)數(shù)值。當(dāng)EA為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)，低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真波形如圖3所示。

圖3 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真

2.3 32位鎖存器的設(shè)計(jì)

設(shè)置鎖存器的作用是使顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。如果有32 bit BCD碼存在于此模塊的輸入口，在信號(hào)LOAD的上升沿后即被鎖存到寄存器內(nèi)部，并由鎖存器的輸出端輸出，然后由7段譯碼器譯成能在數(shù)碼管上顯示的對(duì)應(yīng)數(shù)值。

3 頂層電路的設(shè)計(jì)及仿真

使用MAX+PLUS II的文本輸入方式完成各模塊程序的輸入，將各程序進(jìn)行編譯、仿真，然后生成各模塊的默認(rèn)電路符號(hào)。建立系統(tǒng)頂層原理圖文件，調(diào)用各模塊電路符號(hào)，按圖1完成系統(tǒng)頂層原理圖設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行編譯、邏輯綜合及仿真。最后將設(shè)計(jì)結(jié)果下載到指定的CPLD芯片，連接硬件電路，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。8位十進(jìn)制數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)字頻率計(jì)的仿真

EDA技術(shù)徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)手段，使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐訴HDL語(yǔ)言為核心的編程設(shè)計(jì)，借助于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的VHDL語(yǔ)言和強(qiáng)大的EDA工具，使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得思路簡(jiǎn)單，功能明了。使用CPLD可以反復(fù)進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，降低了硬件電路的復(fù)雜程度，且設(shè)計(jì)電路的保密性強(qiáng)。通過(guò)修改程序就可以非常方便地修改設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的效率。與以前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，本文的設(shè)計(jì)具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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