應用VHDL語言設計數(shù)字電路

摘要: 本文簡要講述了VHDL語言的特點、基本結構和設計流程，通過實例“24進制計數(shù)器”介紹了在MAX+plusⅡ環(huán)境下運用VHDL語言設計實際電路的具體方法和步驟。

關鍵詞: VHDL數(shù)字電路設計流程

VHDL是超高速集成電路硬件描述語言(Very High Speed Integrated circuit Hardware Description Language)的英文縮寫。它的開發(fā)始于美國國防部1981年的超高速集成電路計劃，其目的是為了給出一種與工藝無關的、支持大規(guī)模系統(tǒng)設計的標準方法和手段。通過不斷的發(fā)展和完善，VHDL于1987年成為IEFE的一種標準語言。VHDL是一種面向設計的、多領域、多層次的IEEE標準硬件描述語言，是目前十分流行的硬件描述工具，并且被大多數(shù)EDA工具支持。

1.VHDL的特點

1.1功能強大。與其它的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的描述能力和語言結構，可以用簡潔的源代碼描述復雜的邏輯控制。它具有多層次的設計描述功能，層層細化，最后直接生成電路級描述。

1.2系統(tǒng)硬件描述能力強。VHDL具有豐富的數(shù)據(jù)類型、豐富的仿真語句和庫函數(shù)，它在任何大系統(tǒng)的設計早期就能查驗設計系統(tǒng)功能的可行性，隨時可對設計進行仿真模擬。

1.3設計與工藝無關。用VHDL進行硬件電路設計時，我們并不需要首先考慮選擇完成設計的器件。VHDL的硬件描述與具體的工藝和硬件結構無關，因此VHDL設計程序的硬件實現(xiàn)目標器件有廣闊的選擇范圍。

1.4設計方法靈活，易于修改。VHDL語言標準、規(guī)范，大多數(shù)EDA工具都支持VHDL。在硬件設計過程中，用VHDL語言編寫的源程序便于管理，VHDL易讀、結構模塊化、方便修改、交流和保存。

1.5支持廣泛，移植能力強。VHDL是一個標準語言，在電子設計領域為眾多的EDA工具支持，因此移植能力好。

2.VHDL的基本結構

完整的VHDL程序一般由庫、實體、結構體三個最基本的部分構成。

2.1庫(Library)。在庫內(nèi)存放了可被其他VHDL程序調(diào)用的數(shù)據(jù)定義、器件說明、程序包等資源，庫的種類很多，在安裝元件庫的目錄下有VHDL87或VHDL93文件夾，里面包括IEEE、Altera、IPM、STD四個庫。

2.2實體(Entity)。它僅定義設計模塊輸入/輸出信號，不涉及模塊內(nèi)部邏輯功能的實現(xiàn)。

2.3結構體(Architectrue)。它描述設計模塊的邏輯功能，結構體必須和實體相聯(lián)系，確定實體定義的輸入與輸出信號的邏輯關系，一個設計實體可以有多個結構體。

3.VHDL的設計流程

在VHDL的設計過程中，我們采用自頂向下的方法，首先從系統(tǒng)設計入手，在頂層進行功能方框圖的劃分，其次對各模塊進行設計并仿真，再次綜合進行門級仿真，如果沒有錯誤即可下載，最后實現(xiàn)電路。用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)的流程如下:

輸入源程序→編譯源程序→仿真→綜合→門級仿真→物理設計→時序仿真

4.VHDL的應用實例——24進制計數(shù)器

我們可以通過MAX+Plusll平臺的編譯、仿真，得到仿真波形圖(圖1)，在仿真無誤的情況下，編程下載到器件芯片(圖2)。

24進制計數(shù)器VHDL程序描述如下:

通過以上實例，我們可以看到，VHDL語言具有良好的電路行為描述能力和系統(tǒng)描述能力，利用VHDL語言設計數(shù)字電路更為靈活方便，設計周期也大大減小。目前，國際上用VHDL進行系統(tǒng)邏輯設計成為流行方式，學會VHDL及其設計方法也是新的潮流。VHDL將成為數(shù)字系統(tǒng)設計領域中所有技術人員必須掌握的一種語言。

參考文獻:

[1]程云長.可編程邏輯器件與VHDL語言.北京科學出版社，2002.

[2]江冰.電子技術基礎及應用.北京機械工業(yè)出版社，2001.