基于VHDL的數字系統層次化設計方法

趙輝

（天津理工大學 中環信息學院，天津 300380）

電子設計自動化EDA（Electronic Design Automation）是隨著電子系統設計技術的發展而發展起來的一門新技術。它是以計算機為工作平臺，以EDA軟件為開發環境，以硬件描述語言 HDL（Hardware Description Language）為設計語言，以可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）為實驗載體，以專用集成電路（ASIC）芯片為設計的目標器件，自動完成用軟件的方式設計電子系統到硬件系統的一門新技術[1-2]。參考文獻[3-6]闡述了隨著電子設計技術的發展EDA技術的發展過程，直到20世紀90年代EDA技術得到全新的發展。這一階段的主要特征是以高級硬件描述語言 （VHDL、AHDL或 Verilog HDL）、系統級仿真和綜合技術為特點，采用“自頂向下”的設計理念，實現了整個系統設計過程的自動化。

EDA技術的關鍵之一是用硬件描述語言對硬件電路進行描述。在各種類型的硬件描述語言中，超高速集成電路硬件描述語言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一種全方位的硬件描述語言，1987年被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言[7-8]。它用軟件編程的方式來描述硬件系統的邏輯功能、電路結構和連接形式，包括系統行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次，支持結構、數據流、行為3種描述形式的混合描述，幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個“自頂向下”或“自底向上”的電路設計過程都可以用VHDL來完成。在電子設計工程領域，它承擔了幾乎全部數字系統的設計任務，更適合大規模數字系統的設計。本文以Altera公司提供的MAX+PLUS II為平臺，通過對數字頻率計的設計，介紹基于VHDL的數字系統層次化設計方法。

1 數字頻率計設計系統的組成

本設計中的數字頻率計是一個8位十進制數字頻率計，它由3個模塊組成：一個測頻控制信號發生器模塊TESTCTL、8個具有時鐘使能的十進制計數器模塊CNT10和一個32 bit鎖存器模塊REG32B。數字頻率計系統的頂層電路原理圖如圖1所示。

圖1 數字頻率計的頂層電路

2 各模塊電路的設計及仿真

2.1 測頻控制信號發生器的設計

頻率測量的基本原理是計算每秒中內待測信號的脈沖個數，這就要求測頻信號發生器TESTCTL的計數使能信號TSTEN能產生一個1 s脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數器的使能端EN進行同步控制。當TSTEN為高電平時，允許計數；低電平時，停止計數，并保持其所計的數。在停止計數期間，首先需要一個鎖存信號LOAD的上升沿將計數器在前1 s鐘計數值鎖存進32 bit鎖存器REG32B，由外部的7段譯碼器譯出并穩定顯示。鎖存信號之后，必須有一清零信號CLR對計數器進行清零，為下一秒鐘的計數作準備。測頻控制信號發生器模塊用VHDL語言編程實現，程序如下：

將該模塊的設計通過MAX+PLUS II軟件進行輸入、編譯、邏輯綜合和功能仿真，驗證設計的正確性。測頻控制信號發生器的仿真結果如圖2所示。

圖2 測頻控制信號發生器的仿真結果

2.2 十進制計數器的設計

此計數器的特殊之處在于有一個時鐘使能輸入端EA，用于鎖定計數值。當EA為高電平時允許計數，低電平時禁止計數。十進制計數器的仿真波形如圖3所示。

圖3 十進制計數器的仿真

2.3 32位鎖存器的設計

設置鎖存器的作用是使顯示的數據穩定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。如果有32 bit BCD碼存在于此模塊的輸入口，在信號LOAD的上升沿后即被鎖存到寄存器內部，并由鎖存器的輸出端輸出，然后由7段譯碼器譯成能在數碼管上顯示的對應數值。

3 頂層電路的設計及仿真

使用MAX+PLUS II的文本輸入方式完成各模塊程序的輸入，將各程序進行編譯、仿真，然后生成各模塊的默認電路符號。建立系統頂層原理圖文件，調用各模塊電路符號，按圖1完成系統頂層原理圖設計，并對系統原理圖進行編譯、邏輯綜合及仿真。最后將設計結果下載到指定的CPLD芯片，連接硬件電路，最終完成整個系統的設計。8位十進制數字頻率計系統的仿真結果如圖4所示。

圖4 數字頻率計的仿真

EDA技術徹底改變了數字系統的設計方法和實現手段，使電子系統的設計由硬件設計轉變為以VHDL語言為核心的編程設計，借助于國際標準的VHDL語言和強大的EDA工具，使電子系統的設計變得思路簡單，功能明了。使用CPLD可以反復進行硬件實驗，降低了硬件電路的復雜程度，且設計電路的保密性強。通過修改程序就可以非常方便地修改設計，提高了設計的靈活性，大大縮短了設計周期，提高了設計的效率。與以前的傳統設計相比，本文的設計具有硬件電路簡單、可靠性高、靈活性強等特點。

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