VHDL語(yǔ)言在FPGA／CPLD開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用?

【摘　要】　通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)介紹了用VHDL（VHSIC Hardware DescriptionLanguage）語(yǔ)言開(kāi)發(fā)FPGA／CPLD的方法，以及與電路圖輸入和其它HDL語(yǔ)言相比，使用VHDL語(yǔ)言的優(yōu)越性。
???? 關(guān)鍵詞：VHDL，F(xiàn)PGA／CPLD，EDA

1　引　言
　　EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）關(guān)鍵技術(shù)之一是采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）描述電路系統(tǒng)，包括電路結(jié)構(gòu)、行為方式、邏輯功能以及接口。就FPGA和CPLD（分別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)稱）開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，比較流行的HDL主要有VHDL、ABEL－HDL、AHDL等，其中，VHDL對(duì)系統(tǒng)的行為描述能力最強(qiáng)，已被IEEE確定為標(biāo)準(zhǔn)HDL，并得到目前所有流行EDA軟件的支持，進(jìn)而成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。用VHDL設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，可以把任何復(fù)雜的電路系統(tǒng)視為一個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體。在VHDL層次化設(shè)計(jì)中，它所設(shè)計(jì)的模塊既可以是頂層實(shí)體，又可以是較低層實(shí)體，但對(duì)不同層次模塊應(yīng)選擇不同的描述方法（如行為描述或結(jié)構(gòu)描述）。本文在設(shè)計(jì)實(shí)例中詳細(xì)介紹了用VHDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)FPGA／CPLD的方法，以及與電路圖輸入和其它HDL語(yǔ)言相比，使用VHDL語(yǔ)言的優(yōu)越性。
2　設(shè)計(jì)實(shí)例
　　一個(gè)復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是采用自頂向下將系統(tǒng)按功能逐層分割的層次化設(shè)計(jì)方法。在頂層設(shè)計(jì)中，要對(duì)內(nèi)部各功能塊的連接關(guān)系和對(duì)外的接口關(guān)系進(jìn)行描述，而功能塊實(shí)際的邏輯功能和具體的實(shí)現(xiàn)形式則由下一層模塊來(lái)描述。在系統(tǒng)的底層設(shè)
計(jì)中，如采用VHDL進(jìn)行描述，由于其對(duì)系統(tǒng)很強(qiáng)的行為描述能力，可以不必使系統(tǒng)層層細(xì)化，從而避開(kāi)具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上直接對(duì)模塊進(jìn)行描述和設(shè)計(jì)，之后，EDA軟件中的VHDL綜合器將自動(dòng)將程序綜合成為具體FPGA／CPLD等目標(biāo)芯片的網(wǎng)表文件，無(wú)疑可使設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。下面以數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)為例予以說(shuō)明。
??? 數(shù)字鐘的功能主要有：
　　·能夠?qū)γ?、分、小時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)（按每日24小時(shí)計(jì)時(shí)制）。
??? ·秒、分、小時(shí)位能夠調(diào)整。

　　根據(jù)數(shù)字鐘的功能要求，可將數(shù)字鐘分為四個(gè)功能塊：秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、校時(shí)器和顯示電路。而這些功能塊又可進(jìn)一步分割為更小的模塊，如計(jì)數(shù)器模塊可再分為秒、分、小時(shí)計(jì)數(shù)器。其它功能塊的細(xì)化過(guò)程不再詳述，數(shù)字鐘的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中，P1鍵為自動(dòng)計(jì)時(shí)、校時(shí)、校分和校秒四種工作狀態(tài)選擇鍵，P2鍵為系統(tǒng)處于校時(shí)狀態(tài)時(shí)對(duì)時(shí)、分、秒進(jìn)行校準(zhǔn)的校時(shí)鍵，32．768kHz為作為脈沖源的晶振頻率，經(jīng)14級(jí)2分頻器分頻在其最高位、次高位以及第五位輸出端分別可獲得1Hz、2Hz和1024Hz的脈沖信號(hào)，這三個(gè)脈沖信號(hào)分別用作計(jì)時(shí)脈沖、校時(shí)脈沖和顯示電路的掃描時(shí)鐘。下面用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)底層的小時(shí)計(jì)數(shù)器。小時(shí)計(jì)數(shù)器為一個(gè)24進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)器，其模塊示意圖如圖2所示。reset、clk分別為異步清零端和時(shí)鐘端，qb和qa分別為十位和個(gè)位的四位BCD碼輸出端。該模塊計(jì)數(shù)方式的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，當(dāng)十位數(shù)為0或1時(shí)，個(gè)位進(jìn)行10進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)十位數(shù)為2時(shí)，個(gè)位進(jìn)行4進(jìn)制計(jì)數(shù)。如用電路圖描述，則必須選擇和調(diào)用若干門、觸發(fā)器或宏單元，并需對(duì)所調(diào)用的器件進(jìn)行合適的控制。而若采用VHDL語(yǔ)言對(duì)其功能進(jìn)行描述，問(wèn)題則顯得非常簡(jiǎn)單。

　　下面是用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的24進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)器count24模塊∶
　　ENTITY count24 IS


END counr24—arc；
??? 上述程序中由語(yǔ)句ENTITY與ENDcount24包含的部分稱為程序的實(shí)體，它的電路意義就相當(dāng)于器件的外部接口，在電路圖上相當(dāng)于一個(gè)元件符號(hào)。該實(shí)體是一個(gè)完整、獨(dú)立的語(yǔ)言模塊，它描述了coun t24的接口信息，定義了count24的端口引腳clk、reset、qa、qb的輸入、輸出性質(zhì)及其數(shù)據(jù)類型；由語(yǔ)句ARCHITECTURE開(kāi)始，到END count24arc結(jié)束為結(jié)構(gòu)體層次，結(jié)構(gòu)體層次用于描述count24內(nèi)部的邏輯功能，在電路上相當(dāng)于器件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。描述邏輯功能的具體做法是，在結(jié)構(gòu)體的進(jìn)程區(qū)內(nèi)，通過(guò)定義兩個(gè)整型中間變量cntb、cnta分別表示十位和個(gè)位，之后用IF語(yǔ)句說(shuō)明當(dāng)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，這兩個(gè)變量的計(jì)數(shù)和進(jìn)位情況，當(dāng)進(jìn)程結(jié)束后，再將這兩個(gè)中間變量分別賦給輸出變量qb和qa。整個(gè)程序不長(zhǎng)，邏輯描述十分簡(jiǎn)潔、明了。
　　上述程序輸入完成后，首先要經(jīng)EDA軟件進(jìn)行編譯，本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)Altera公司的MAX＋PLUS2II軟件，經(jīng)該軟件中的Compiler編譯器編譯后，若有任何信息、錯(cuò)誤和警告，都將在VHDL編譯器窗口上提示，設(shè)計(jì)者可根據(jù)提示對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。當(dāng)編譯通過(guò)時(shí)，建網(wǎng)表、邏輯綜合、適配、劃分、時(shí)域分析、裝配等均已自動(dòng)完成，并生成多個(gè)后續(xù)工作要用的文件。編譯的成功表明已為所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目建立了一個(gè)編程文件，但還不能保證該設(shè)計(jì)在各種可能的情況下都有正確的響應(yīng)，因而編譯通過(guò)后，還必須用MAX＋PLUSII的Simulator仿真器和Timing Analyzer工具分別進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否完全符合要求，若發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，則必須返回原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。上述模塊經(jīng)功能仿真和時(shí)序仿真都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。圖3所示即為上述模塊的仿真波形。該模塊設(shè)計(jì)完成后存檔，待建立頂層文件時(shí)調(diào)用。
　　接下來(lái)再用VHDL語(yǔ)言對(duì)底層中其它所有模塊一一進(jìn)行設(shè)計(jì)，這包括：秒、分計(jì)數(shù)器（均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器）、14級(jí)2分頻器、24選4數(shù)據(jù)選擇器、BCD七段譯碼器、節(jié)拍發(fā)生器等。所有程序均經(jīng)MAX＋PLUS2II軟件的編譯和仿真。當(dāng)模塊設(shè)計(jì)完成后均要存檔，待建立頂層文件時(shí)調(diào)用。
　　除底層模塊外，其它各層次模塊（包括頂層）也都適于用VHDL語(yǔ)言描述。只是應(yīng)選擇不同的描述方法而已。當(dāng)?shù)讓又兴心K均設(shè)計(jì)完成后，采用VHDL語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)描述法，用元件調(diào)用語(yǔ)句調(diào)用底層各模塊并進(jìn)行連接，即可建立數(shù)字鐘的頂層文件。數(shù)字鐘的頂層文件也必須經(jīng)過(guò)EDA軟件的編譯和仿真，在此過(guò)程中，如有需要，還可隨時(shí)打開(kāi)查看并修改任一層次的設(shè)計(jì)。當(dāng)最后確認(rèn)設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，再將編譯后的頂層文件下載到目標(biāo)芯片PFGA／CPLD中。
　　綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)各層次模塊均采用VHDL語(yǔ)言描述，其優(yōu)點(diǎn)主要有下述三個(gè)方面∶（1）能進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的行為描述，從邏輯行為上對(duì)模塊進(jìn)行描述和設(shè)計(jì)，大大降低了設(shè)計(jì)難度。（2）描述的設(shè)計(jì)思想、電路結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系清晰明了，便于存檔、查看、維護(hù)和修改。（3）支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用。
　　僅上述這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是電路圖輸入和其它HDL語(yǔ)言所不能實(shí)現(xiàn)的。

3　結(jié)束語(yǔ)
　　集成電路規(guī)模越是龐大，VHDL語(yǔ)言的優(yōu)越性就越顯突出。目前，數(shù)百萬(wàn)門規(guī)模的FPGA／CPLD已進(jìn)入實(shí)用，VHDL強(qiáng)大的系統(tǒng)描述能力、規(guī)范的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和靈活的語(yǔ)句表達(dá)風(fēng)格使其必將擔(dān)負(fù)起大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾乎全部設(shè)計(jì)任務(wù)。

1　朱明程，孫晉．可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)．南京：東南大學(xué)出版社，1998
2　候伯亨，顧新．VHDL硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997