數(shù)字系統(tǒng)的現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)

左智成

(中原文化藝術(shù)學(xué)院，鄭州450002)

數(shù)字系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)目前有兩種方法，即傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)代系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).電子工程師因其使用設(shè)計(jì)方法的不同，被劃分為硬件工程師和軟件工程師.他們專心于自己的設(shè)計(jì)事業(yè)，很少從事跨界工作，尤其軟件從業(yè)人員更是如此.隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異和硬件描述語言(Hardware Description Language，HDL)的開發(fā)和使用，這種傳統(tǒng)的、難以逾越的溝界被打破，電子工程師無論是硬件設(shè)計(jì)人員還是軟件從業(yè)者都已經(jīng)開始使用HDL語言設(shè)計(jì)趨于合理、符合生產(chǎn)要求的數(shù)字設(shè)備.而且，使用HDL語言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)相比，優(yōu)勢極為突出，可降低設(shè)計(jì)難度，在設(shè)計(jì)的每一步都可進(jìn)行仿真，能及早發(fā)現(xiàn)問題，縮短開發(fā)周期，且文件資料歸檔方便，可節(jié)省大量的人力物力資源，它是硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次變革，對系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生巨大的影響［1］.

1 數(shù)字系統(tǒng)硬件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在未開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的年代，電子工程師均采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)［2］.這種數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在“人工”的基礎(chǔ)上形成的，具有以下幾個主要特征:

1.1 自底向上的設(shè)計(jì)方法

自底向上的硬件電路設(shè)計(jì)方法的主要步驟是:當(dāng)給定生成目標(biāo)后，設(shè)計(jì)真值表，使用卡諾圖或邏輯代數(shù)化簡成最簡表達(dá)式，然后采用“搭積木”的方法選擇功能固定的標(biāo)準(zhǔn)芯片實(shí)現(xiàn)生成，最后調(diào)試和驗(yàn)證并修改相關(guān)設(shè)計(jì).上述設(shè)計(jì)方法也稱自下向上的設(shè)計(jì)方法，它充分體現(xiàn)在各功能模塊的電路設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

1.2 通用邏輯元器件是構(gòu)成系統(tǒng)的主要部件

在傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)者總是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，力求選擇市場上能買到的邏輯元器件來搭建所要求的邏輯電路，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).對于由微處理器及相應(yīng)硬件組成的系統(tǒng)中，部分系統(tǒng)的硬件功能可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，這在某種程度上簡化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，但是這種選擇通用元器件構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的模式并未改變.

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

1.3 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件搭建的后期進(jìn)行仿真和調(diào)試

仿真和調(diào)試在傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，通常是在完成系統(tǒng)硬件搭建以后才能進(jìn)行，這是因?yàn)檫M(jìn)行仿真和調(diào)試的工具一般為系統(tǒng)仿真器、邏輯分析儀和示波器等.它們只有在數(shù)字系統(tǒng)硬件構(gòu)成后才能使用.因此，在設(shè)計(jì)過程中潛伏存在的問題只能在后期被發(fā)現(xiàn)，這就對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，一旦出現(xiàn)失誤，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將存在較大缺陷，那么極有可能推倒進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)周期大為延長［3］.

1.4 電路原理圖是設(shè)計(jì)的主要文件

在使用傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)并調(diào)試完結(jié)后，得到的硬件設(shè)計(jì)文件主要是由若干張電路原理圖集合形成的文件.在這些集合文件中詳細(xì)說明了各邏輯部件的名稱及相互間信號的依賴關(guān)系，是用戶今后使用和維護(hù)系統(tǒng)的依據(jù).對于較為簡單的小系統(tǒng)，這種電路原理圖只要幾張、幾十張至幾百張即可，但如果系統(tǒng)龐大，硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，那么這種原理圖文件可能有幾千張、幾萬張乃至幾十萬張，這就給原理圖文件的歸檔、閱讀、修改和使用帶來了極大的困難，對系統(tǒng)的使用和維護(hù)帶來了極大的不便.

2 現(xiàn)代的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模、超大規(guī)模專用集成電路(ASIC、Application Specific Integrated Circuit)的研制和使用，各ASIC制造廠商為了提高研、發(fā)、產(chǎn)效益，縮減研發(fā)周期及增強(qiáng)研發(fā)成果的繼承性，均開發(fā)了適于各自目的的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，即HDL語言.現(xiàn)時使用最廣泛的是美國國防部研發(fā)的VHDL(Very High Speed Integrated Circuit，HDL)和Verilog公司的Verilog硬件描述語言［4］.利用HDL語言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)有以下幾個特征:

2.1 自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法

自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，就是從系統(tǒng)的總體功能要求出發(fā)，先進(jìn)行整體規(guī)劃，然后確定設(shè)計(jì)方案，自頂向下逐步將設(shè)計(jì)指標(biāo)分解到各模塊，再進(jìn)行模塊和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).這種設(shè)計(jì)方法將數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自頂向下分成三步進(jìn)行.

第一步是行為描述(頂部描述).它是對整個數(shù)字系統(tǒng)頂部功能的描述，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.通過對系統(tǒng)頂部功能的數(shù)學(xué)模型描述、仿真來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中早期存在的功能不完善、行為描述不準(zhǔn)確的問題.這一階段主要考慮數(shù)字系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作過程是否達(dá)到系統(tǒng)總體功能的預(yù)設(shè)要求，不考慮行為描述實(shí)際的操作和算法實(shí)現(xiàn).下面以六進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例說明以行為方式描述的工作特性.

以上VHDL語言程序勾畫出了六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸入、輸出引腳和內(nèi)部計(jì)數(shù)過程的計(jì)數(shù)狀態(tài)變化時序及關(guān)系.這實(shí)際上是計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)的描述.當(dāng)該程序仿真通過以后，說明六進(jìn)制計(jì)數(shù)器模型是正確的.

第二步是寄存器傳輸(Register Transfer Level，RTL)描述，也稱數(shù)據(jù)流描述.第一步頂部描述建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型因其程序抽象度高，難以直接映射到數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部的具體邏輯部件結(jié)構(gòu)，不便用硬件來實(shí)現(xiàn).因此必須將數(shù)字模型方式描述的VHDL程序轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流方式描述的VHDL程序.只有這樣，才能求得系統(tǒng)的邏輯表達(dá)式，再進(jìn)行下一步的綜合.下面仍以六進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，說明行為方式描述轉(zhuǎn)化為RTL方式描述.

圖2 自頂向下設(shè)計(jì)流程

在以上的RTL描述方式中，JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、與門和或非門都可以在庫WORK.NEW.ALL中直接調(diào)用，且構(gòu)造體直接描述了它們之間的連接關(guān)系.與行為方式描述相比，RTL描述更接近于實(shí)際電路的描述.

在數(shù)據(jù)流描述的源程序編寫完成后，用仿真軟件對該方式描述的源程序進(jìn)行仿真.若仿真結(jié)果正確，就可進(jìn)行第三步的邏輯綜合.

第三步邏輯綜合.邏輯綜合的目的是用邏輯綜合工具將數(shù)據(jù)流描述的程序轉(zhuǎn)換成門級網(wǎng)絡(luò)表，即用基本邏輯部件表示的文件.若需要，可進(jìn)一步將邏輯綜合的結(jié)果以邏輯原理圖方式輸出.這個邏輯原理圖就相當(dāng)于用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的硬件電路，根據(jù)系統(tǒng)功能體系要求畫出系統(tǒng)的全部邏輯電路原理圖.以門級網(wǎng)絡(luò)表為基礎(chǔ)，對邏輯綜合結(jié)果再次在門級電路上進(jìn)行仿真，測試信號依存關(guān)系和定時關(guān)系.若都正常，那么數(shù)字系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)就此成功完結(jié).若這三步的某一步發(fā)現(xiàn)問題則都可隨時返回上一步，查看源程序，尋找和修改出現(xiàn)相應(yīng)錯誤的模塊、進(jìn)程或結(jié)構(gòu)，然后繼續(xù)下一步.

邏輯綜合結(jié)束后，在最終完成硬件設(shè)計(jì)時，有兩種選擇:第一種是采用自動布線程序?qū)⑦壿嬀C合的結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASIC芯片的制造工藝，做出ASIC芯片;第二種是將結(jié)果轉(zhuǎn)化成CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)或FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的編碼點(diǎn)，而后寫入對應(yīng)芯片，完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì).整個設(shè)計(jì)過程如圖2所示.

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理化、體積微型化

如前所述，眾多ASIC芯片制造商提供的軟件均可支持或兼容HDL語言，所以，電子工程師在設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路時，可根據(jù)硬件系統(tǒng)的需求，自行設(shè)計(jì)ASIC芯片或可編程邏輯器件.這終將會使數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路趨于合理，體積大為縮小，走向微型化.

2.3 全過程仿真

從自頂向下的三步設(shè)計(jì)過程可以看出，仿真始終貫穿在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)之中，即行為(頂部數(shù)學(xué)模型)仿真、數(shù)據(jù)流(RTL)仿真和門級(門電路原理)仿真.這就使在系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個階段存在的潛伏問題能被及時發(fā)現(xiàn)和更正.較之傳統(tǒng)自底向上設(shè)計(jì)的后期仿真，自頂向下的三步設(shè)計(jì)最大限度地縮減了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了大量的人力、物力資源.

2.4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期大為縮減

在傳統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)方法中，電子工程師必須在設(shè)計(jì)前求得電路的邏輯表達(dá)式或真值表(或狀態(tài)表)，這是相當(dāng)繁雜和困難的過程，尤其是在硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜時更是如此.而用現(xiàn)代軟件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)硬件電路時，設(shè)計(jì)者無需得到邏輯表達(dá)式或真值表.例如六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只要知道六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的6個計(jì)數(shù)狀態(tài)就行了，而無需寫出相關(guān)電路的邏輯表達(dá)式.這使硬件電路的設(shè)計(jì)愈來愈便利，難度也大為降低，縮短了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率.據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，就此一項(xiàng)可使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期縮短大約1/3 ～1/2［5］.

2.5 HDL的源程序是設(shè)計(jì)的歸檔文件

如1.4所述，在傳統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)中，電路原理圖是最后得到的主要文件，而利用現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)硬件電路時，得到的設(shè)計(jì)文件是HDL編寫的源程序，需要時就可轉(zhuǎn)換成電路原理圖.用源程序作歸檔文件有以下優(yōu)點(diǎn):(1)資料量小，便于紙質(zhì)保存.(2)繼承性好.在設(shè)計(jì)任何硬件電路時，可利用現(xiàn)有文件中的進(jìn)程和過程等程序.(3)可閱讀性強(qiáng).閱讀理解源程序要比理解電路原理圖容易一些.在源程序中能容易找出某部分電路的邏輯關(guān)系和工作原理.

3 結(jié)語

數(shù)字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的兩種方法目前在實(shí)際工作中都有使用.傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法已經(jīng)沿襲使用了幾十年，是廣大電子設(shè)計(jì)者所熟悉和掌握的一種方法.但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已無法跟進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展.一種嶄新、采用現(xiàn)代軟件語言設(shè)計(jì)的硬件電路方法正在蓬勃發(fā)展，它的出現(xiàn)使硬件電路設(shè)計(jì)的難度大為降低，設(shè)計(jì)周期大為縮短，節(jié)省了大量的人力物力，對硬件電路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了革命性的變化.

［1］侯伯亨，劉凱，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)［M］.第3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］文漢云，劉鵬，胡杰.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［3］譚會生，昌凡.EDA技術(shù)及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［4］王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL［M］.第4版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［5］朱志平.基于VHDL的交通管理器設(shè)計(jì)［J］.渭南師范學(xué)院學(xué)報，2012，27(6):24－28.