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VHDL在数字电路设计中的应用 [复制链接]

恋々风

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发表于 2005-2-3 12:31:00 |显示全部楼层

近年来，随着计算机技术和半导体技术的发展，传统的硬件电路设计方法已落后于当今技术的发展。一种崭新的、采用硬件描述语言的硬件电路设计方法已经兴起，硬件描述语言是电子设计自动化（EDA）领域的一次重大变革。目前，广泛使用的硬件描述语言有VHDL（V ery High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）[1]和Ve rilog HDL，它们先后被批准为国际标准语言。

利用硬件描述语言VHDL，数字电路系统可从系统行为级、寄存器传输级和门级三个不同层次进行设计，即上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接着，再用专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)自动布局布线工具 [2～3]，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。目前，这种高层次设计(highleveldesign)的方法已被广泛采用[4]。据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASI C和FPGA采用硬件描述语言进行设计。VHDL的应用已成为当今以及未来EDA解决方案的核心，而且是复杂数字系统设计的核心。

　　笔者以Max＋plus ⅡApp作为平台的一个空调机控制器的设计为例，谈谈VHDL在数字电路设计中的具体应用。

1 VHDL的特点

　　VHDL语言主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，与其他硬件描述语言相比，VH DL语言有如下优越之处：① VHDL语言支撑自上而下（Top Down）和基于库（LibraryBase ）的设计方法，还支撑同步电路、异步电路、FPGA以及其他随机电路的设计；② VHDL语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直到门级电路，其高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述和结构描述混合使用，还可以自定义数据类型，给编程人员带来较大的自由和方便；③VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必关心最终设计实现的目标器件是什么；④VHDL具有电路仿真与验证功能，可以保证设计的正确性，用户甚至不必编写如何测试相量便可以进行源代码级的调试，而且设计者可以非常方便地比较各种方案之间的可行性及其优劣，不需做任何实际的电路实验；⑤ VHDL语言可以与工艺无关编程；⑥ VHDL语言标准、规范，易于共享和复用。

2 VHDL的应用实例

　　实现一个控制器，常用有限状态机方法实现。传统的设计方法主要包括5个过程：确定原始状态图，状态简化，状态编码，触发器类型的选择及控制逻辑方程和输出方程的确定，画出电路原理图。采用这种方法设计复杂状态机将会十分繁杂。

　　利用VHDL来设计有限状态机，可以充分发挥硬件描述语言的抽象能力，进行功能描述，而具体的逻辑化简和电路设计可由计算机自动完成，从而提高了设计的工作效率，并且条理清晰，修改起来也更方便，所以很适合复杂时序电路的设计。

　　应用VHDL设计状态机的步骤如下：

　　① 根据系统要求确定状态数量、状态转移的条件和各状态输出信号的赋值，并画出状态转移图；② 按照状态转移图编写有限状态机的VHDL程序；③ 利用EDA工具进行功能仿真验证；④ 编程下载。

2.1空调机控制器的设计

　　空调机控制器原理如图1所示，它的两个输入来自温度传感器，用于监测室内温度。如果室内温度正常，则temp-high和temp-low均为‘0’；如果室内温度过高，则temp-high为‘1’，temp-low为‘0’；如果室内温度过低，则temp-high为‘0’，temp-low为‘1’。根据temp-high和temp-low的值来决定当前的工作状态，并给出相应的制冷(coo l)和制热(heat)输出信号。

　　根据以上描述，空调机控制器的状态转移如图2所示。其中：

　　S0——空调机待机状态；

　　S1——空调机制冷状态；

　　S2——空调机制热状态；

　　①——temp-high和temp-low均为‘0’；

　　②——temp-low为‘1’；

　　③——temp-high为‘1’；

　　④——reset为‘1’。

　　按照上述状态转移图编写VHDL程序，编程中采用case语句来描述状态的改变，它具有直观、条理清晰及易于修改等特点。也可以采用不同进程来实现状态的改变，所以编程方法多种。

2.2 功能仿真

　　利用Max＋plusⅡApp工具对所编程序进行编译、仿真。仿真结果如图3所示,当temp-low 为“1”，即温度过低，则heat为“1”（制热）；当temp-high为“1”，即温度过高，则 cool为“1” （制冷）。经综合后的仿真分析表明，该方案是合理可行的。通过仿真后，即可编程下载。

3 结论

　　通过对空调器控制器电路的VHDL的仿真实现，表明VHDL在数字电子电路的设计中具有硬件描述能力强、设计方法灵活、易于修改等特点。随着集成电路技术的高速发展，数字系统迅速朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片（SoC，System on Chip）方向发展，从而使可编程ASIC的设计逐步向高层设计转移。作为一种重要的高层次设计技术，VHDL已成为当代电子设计师设计数字硬件时必须掌握的一种方法。

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