初探VHDL語言在電子設計中的應用

周至公

摘 要：隨著時代的進步，如今社會對電子技術和計算機技術的應用非常普遍，已經完全滲透到各行業中。而電子技術設計作為推動電子技術領域發展的主要動力，其逐漸向著高速度、大容量和小體積的方向發展，因此傳統自下而上的電子設計方法已經難以滿足要求，因此必須加強對VHDL硬件描述語言的應用。本文主要分析了VHDL硬件描述語言在電子設計中應用的構成，闡述了VHDL硬件描述語言在電子設計中應用的主要特點，并針對VHDL硬件描述語言在電子設計中的應用策略進行了研究和探討。

關鍵詞：VHDL硬件描述語言；電子技術設計；設計流程

VHDL硬件描述語言在數字電路與系統描述、模擬和設計中應用比較普遍，屬于電子技術設計的核心[1]。尤其是隨著集成電路技術的進步，人們對電子技術設計效率和設計水平的要求不斷提升，因此選擇合理的硬件描述語言具有必要性，而VHDL硬件描述語言能夠有效降低電子技術設計難度，且具有通用性高、支持面廣的特征，并獲得了市場和電子電力公司的肯定與支持，可以有效促進電子技術設計想著自動化方向發展，縮短開發周期。

1 VHDL語言在電子設計中應用的構成

VHDL（Very-High-Speed Inte-grated Circuit Hardware Description Languagea）硬件描述語言，即超高速集成電路硬件描述語言，主要是應用于數字電路系統性能描述和模擬的語言[2]。VHDL硬件描述語言是在1983年由美國國防部創建，并在后期的發展和應用中，成為硬件描述語言的標準之一。隨著IEEE對VHDL硬件描述語言的修訂，VHDL硬件描述語言的內容得到的進一步的擴展，主要是從更高的抽象層次和系統描述能力進行擴展。當前VHDL硬件描述語言已經成為通用性硬件描述語言。

VHDL硬件描述語言的語法具有高度嚴格的特征，與Ada風格比較相近，即一段完整的VHDL代碼包含實體語句、構造體語句、配置說明語句等。其中實體語句主要是針對設計單元的外部接口信號進行描述，構造體語句主要是針對設計單元內部的結構和行為進行描述。根據研究可知，利用構造體語句進行設計單元內部功能描述又可以分為三種方式，即行為級描述、寄存器傳輸級描述和結構描述等。配置說明依據主要是針對選取不同元件構成設計單元版本的描述。此外VHDL代碼還包含庫說明語句和包說明語句。其中庫是進行編譯實體、構造體、包和配置數據的存放，而包則是用來存在共享數據類型、常量和子程序等。常見的庫類型主要分為IEEE庫、STD庫、ASIC矢量庫等[3]。

2 VHDL語言在電子設計中應用主要特點

VHDL硬件描述語言主要是進行數字系統結構、行為、功能和接口的描述，其與其他語言相比，具有很多明顯的優勢和特點，主要表現在以下幾個方面。

2.1 VHDL硬件描述語言描述能力強

VHDL硬件描述語言具有電路描述能力強和建模能力強等優勢，主要表現在其能夠從多個層次實現對數字系統的建模與描述，有效簡化硬件設計任務，降低硬件設計難度，繼而提高電子技術設計效率和設計可靠性。

2.2 VHDL硬件描述語言設計優化能力

VHDL硬件描述語言應用在電子技術設計中，能夠脫離具體硬件電路、設計平臺等特性，且其電路行為描述能力和系統描述能力優良，且其生命力和應用潛力非常強大，尤其是在語言易讀性方便、層次性方面和結構化設計方面等。

2.3 VHDL硬件描述語言全新設計方法

VHDL硬件描述語言主要采用自上而下的設計方法，且包含庫，有效應用在電子產品生命周期縮短的環境中，面對重新設計、融入全新技術和改變工藝等，均具有良好的適應性。自上而下的設計方法，可以將較大的系統分解成若干個模塊，在分工合作時更加簡單方便。此外設計人員在利用VHDL硬件描述語言進行電子技術設計時，可以單純進行功能的設計，對于其他不會影響功能的因素，且無需耗費太多的精力[4]。

3 VHDL語言在電子設計中的應用策略

在電子技術設計中，VHDL硬件描述語言屬于比較高層次的設計方法。技術人員在利用VHDL硬件描述語言進行電子技術設計時，首先要利用VHDL硬件描述語言進行電路系統的表達，并輸入至計算機。隨后利用HDL綜合器對設計進行綜合，將軟件設計的HDL描述與硬件結構掛鉤，實現軟件轉化為硬件電路。綜合的作用主要是將VHDL硬件描述語言轉換為低級語言，確保實現與FPGA/CPLD的基本結構相應的網表文件[5]。再利用適配器將綜合器產生的網標文件配置目標器件中，產生下載文件。適配器又稱之為結構綜合器，主要是將網標文件針對的目標器件進行邏輯映射操作，如邏輯分割、優化等。而且由于電子技術設計的模擬仿真主要是在高層上實現，能夠進一步提高錯誤發生效率，提升電子技術設計效率。

仿真主要是利用計算機對設計進行模擬，包含時序仿真、功能仿真。其中時序仿真中，文件包含器件硬件特性參數，即基于真實器件的特性進行仿真，仿真精度高。功能仿真主要是針對邏輯功能進行模式，不涉及具體器件的硬件特性。仿真后，將適配后生成的下載文件或配置文件，利用編程器進行下載，以實現硬件調試和驗證。最后需要對硬件系統進行測試，確保設計項目在目標系統上的工作情況滿足要求，針對存在錯誤的地方需要及時進行改進。

4 結束語

綜上所述，將VHDL硬件描述語言應用與電子技術設計中，能夠實現從多個層次進行數字系統的設計，有效降低設計難度，縮短設計周期，提高設計效率。如今VHDL硬件描述語言在電子技術設計應用中主要表現為自上而下應用方向，體現出邏輯綜合和優化的重要性。

參考文獻

[1]李要球，盧璐.VHDL硬件描述語言在數字電路設計中的應用[J].實驗室科學，2011，05：97-99+103.

[2]夏莉莉.淺議VHDL語言在電子設計自動化中的應用[J].信息安全與技術，2012，07：44-46.

[3]張蘋珍，王俊峰，仲濤.VHDL在數字邏輯電路設計中的應用方法[J].信息通信，2012，05：96-97.

[4]柴志成，羅俊寧.VHDL語言在數字電路教學改革中的應用[J].電子世界，2014，17：180-181.

[5]江文超，王文遠.VHDL在基于CPLD和單片機的數字頻率計系統設計中的應用[J].電子制作，2014，07：205+203.