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          VHDL語言在FPGA/CPLD開發(fā)中的應(yīng)用

          作者: 時間:2011-10-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          1 引 言
            (電子設(shè)計自動化)關(guān)鍵技術(shù)之一是采用硬件描述語言(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(分別是現(xiàn)場可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱)開發(fā)來說,比較流行的HDL主要有、ABEL-HDL、AHDL等,其中,對系統(tǒng)的行為描述能力最強,已被IEEE確定為標準HDL,并得到目前所有流行軟件的支持,進而成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。用設(shè)計電路系統(tǒng),可以把任何復(fù)雜的電路系統(tǒng)視為一個模塊,對應(yīng)一個設(shè)計實體。在VHDL層次化設(shè)計中,它所設(shè)計的模塊既可以是頂層實體,又可以是較低層實體,但對不同層次模塊應(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)計實例中詳細介紹了用VHDL語言開發(fā)的方法,以及與電路圖輸入和其它HDL語言相比,使用VHDL語言的優(yōu)越性。
          2 設(shè)計實例
            一個復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計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)計方法。在頂層設(shè)計中,要對內(nèi)部各功能塊的連接關(guān)系和對外的接口關(guān)系進行描述,而功能塊實際的邏輯功能和具體的實現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。在系統(tǒng)的底層設(shè)
          計中,如采用VHDL進行描述,由于其對系統(tǒng)很強的行為描述能力,可以不必使系統(tǒng)層層細化,從而避開具體的器件結(jié)構(gòu),從邏輯行為上直接對模塊進行描述和設(shè)計,之后,軟件中的VHDL綜合器將自動將程序綜合成為具體等目標芯片的網(wǎng)表文件,無疑可使設(shè)計大為簡化。下面以數(shù)字鐘的設(shè)計為例予以說明。
          數(shù)字鐘的功能主要有:
            ·能夠?qū)γ搿⒎?、小時進行計時(按每日24小時計時制)。
          ·秒、分、小時位能夠調(diào)整。

            根據(jù)數(shù)字鐘的功能要求,可將數(shù)字鐘分為四個功能塊:秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、校時器和顯示電路。而這些功能塊又可進一步分割為更小的模塊,如計數(shù)器模塊可再分為秒、分、小時計數(shù)器。其它功能塊的細化過程不再詳述,數(shù)字鐘的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中,P1鍵為自動計時、校時、校分和校秒四種工作狀態(tài)選擇鍵,P2鍵為系統(tǒng)處于校時狀態(tài)時對時、分、秒進行校準的校時鍵,32.768kHz為作為脈沖源的晶振頻率,經(jīng)14級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,這三個脈沖信號分別用作計時脈沖、校時脈沖和顯示電路的掃描時鐘。下面用VHDL語言設(shè)計底層的小時計數(shù)器。小時計數(shù)器為一個24進制BCD碼計數(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鐘端,qb和qa分別為十位和個位的四位BCD碼輸出端。該模塊計數(shù)方式的實現(xiàn)比較復(fù)雜,當十位數(shù)為0或1時,個位進行10進制計數(shù),當十位數(shù)為2時,個位進行4進制計數(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,并需對所調(diào)用的器件進行合適的控制。而若采用VHDL語言對其功能進行描述,問題則顯得非常簡單。
           


            下面是用VHDL語言設(shè)計的24進制BCD碼計數(shù)器count24模塊∶
            ENTITY count24 IS


          END counr24—arc;
          上述程序中由語句ENTITY與ENDcount24包含的部分稱為程序的實體,它的電路意義就相當于器件的外部接口,在電路圖上相當于一個元件符號。該實體是一個完整、獨立的語言模塊,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;由語句ARCHITECTURE開始,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)體的進程區(qū)內(nèi),通過定義兩個整型中間變量cntb、cnta分別表示十位和個位,之后用IF語句說明當時鐘到來時,這兩個變量的計數(shù)和進位情況,當進程結(jié)束后,再將這兩個中間變量分別賦給輸出變量qb和qa。整個程序不長,邏輯描述十分簡潔、明了。
            上述程序輸入完成后,首先要經(jīng)EDA軟件進行編譯,本設(shè)計采用的是美國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、錯誤和警告,都將在VHDL編譯器窗口上提示,設(shè)計者可根據(jù)提示對設(shè)計進行修改。當編譯通過時,建網(wǎng)表、邏輯綜合、適配、劃分、時域分析、裝配等均已自動完成,并生成多個后續(xù)工作要用的文件。編譯的成功表明已為所設(shè)計的項目建立了一個編程文件,但還不能保證該設(shè)計在各種可能的情況下都有正確的響應(yīng),因而編譯通過后,還必須用MAX+PLUSII的Simulator仿真器和Timing Analyzer工具分別進行功能仿真和時序仿真,以驗證設(shè)計是否完全符合要求,若發(fā)現(xiàn)有問題,則必須返回原設(shè)計進行修改。上述模塊經(jīng)功能仿真和時序仿真都沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。圖3所示即為上述模塊的仿真波形。該模塊設(shè)計完成后存檔,待建立頂層文件時調(diào)用。
            接下來再用VHDL語言對底層中其它所有模塊一一進行設(shè)計,這包括:秒、分計數(shù)器(均為60進制計數(shù)器)、14級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。當模塊設(shè)計完成后均要存檔,待建立頂層文件時調(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語言描述。只是應(yīng)選擇不同的描述方法而已。當?shù)讓又兴心K均設(shè)計完成后,采用VHDL語言中的結(jié)構(gòu)描述法,用元件調(diào)用語句調(diào)用底層各模塊并進行連接,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EDA軟件的編譯和仿真,在此過程中,如有需要,還可隨時打開查看并修改任一層次的設(shè)計。當最后確認設(shè)計完全符合設(shè)計要求時,再將編譯后的頂層文件下載到目標芯片PFGA/CPLD中。
            綜上所述,整個系統(tǒng)各層次模塊均采用VHDL語言描述,其優(yōu)點主要有下述三個方面∶(1)能進行系統(tǒng)級的行為描述,從邏輯行為上對模塊進行描述和設(shè)計,大大降低了設(shè)計難度。(2)描述的設(shè)計思想、電路結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系清晰明了,便于存檔、查看、維護和修改。(3)支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用。
            僅上述這三個優(yōu)點,就是電路圖輸入和其它HDL語言所不能實現(xiàn)的。

          3 結(jié)束語
            集成電路規(guī)模越是龐大,VHDL語言的優(yōu)越性就越顯突出。目前,數(shù)百萬門規(guī)模的FPGA/CPLD已進入實用,VHDL強大的系統(tǒng)描述能力、規(guī)范的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)和靈活的語句表達風(fēng)格使其必將擔負起大系統(tǒng)設(shè)計的幾乎全部設(shè)計任務(wù)。

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


          關(guān)鍵詞: VHDL FPGA CPLD EDA

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