VHDL語言在FPGA/CPLD開發(fā)中的應(yīng)用?
【摘 要】 通過設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)介紹了用VHDL(VHSIC Hardware DescriptionLanguage)語言開發(fā)FPGA/CPLD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。
關(guān)鍵詞:VHDL,F(xiàn)PGA/CPLD,EDA
1 引 言
EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)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FPGA和CPLD(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VHDL、ABEL-HDL、AHDL等,其中,VHDL對(duì)系統(tǒng)的行為描述能力最強(qiáng),已被IEEE確定為標(biāo)準(zhǔn)HDL,并得到目前所有流行EDA軟件的支持,進(jìn)而成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。用VHDL設(shè)計(jì)電路系統(tǒng),可以把任何復(fù)雜的電路系統(tǒng)視為一個(gè)模塊,對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體。在VHDL層次化設(shè)計(jì)中,它所設(shè)計(jì)的模塊既可以是頂層實(shí)體,又可以是較低層實(shí)體,但對(duì)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(jì)實(shí)例中詳細(xì)介紹了用VHDL語言開發(fā)FPGA/CPLD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(jì)實(shí)例
一個(gè)復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)方法。在頂層設(shè)計(jì)中,要對(duì)內(nèi)部各功能塊的連接關(guān)系和對(duì)外的接口關(guān)系進(jìn)行描述,而功能塊實(shí)際的邏輯功能和具體的實(shí)現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。在系統(tǒng)的底層設(shè)
計(jì)中,如采用VHDL進(jìn)行描述,由于其對(duì)系統(tǒng)很強(qiáng)的行為描述能力,可以不必使系統(tǒng)層層細(xì)化,從而避開具體的器件結(jié)構(gòu),從邏輯行為上直接對(duì)模塊進(jìn)行描述和設(shè)計(jì),之后,EDA軟件中的VHDL綜合器將自動(dòng)將程序綜合成為具體FPGA/CPLD等目標(biāo)芯片的網(wǎng)表文件,無疑可使設(shè)計(jì)大為簡化。下面以數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)為例予以說明。
數(shù)字鐘的功能主要有:
·能夠?qū)γ?、分、小時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)(按每日24小時(shí)計(jì)時(shí)制)。
·秒、分、小時(shí)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(gè)功能塊:秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、校時(shí)器和顯示電路。而這些功能塊又可進(jìn)一步分割為更小的模塊,如計(jì)數(shù)器模塊可再分為秒、分、小時(shí)計(jì)數(shù)器。其它功能塊的細(xì)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(dòng)計(jì)時(shí)、校時(shí)、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(shí)狀態(tài)時(shí)對(duì)時(shí)、分、秒進(jìn)行校準(zhǔn)的校時(shí)鍵,32.768kHz為作為脈沖源的晶振頻率,經(jīng)14級(jí)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(hào),這三個(gè)脈沖信號(hào)分別用作計(jì)時(shí)脈沖、校時(shí)脈沖和顯示電路的掃描時(shí)鐘。下面用VHDL語言設(shè)計(jì)底層的小時(shí)計(jì)數(shù)器。小時(shí)計(jì)數(shù)器為一個(gè)24進(jìn)制BCD碼計(jì)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(shí)鐘端,qb和qa分別為十位和個(gè)位的四位BCD碼輸出端。該模塊計(jì)數(shù)方式的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,當(dāng)十位數(shù)為0或1時(shí),個(gè)位進(jìn)行10進(jìn)制計(jì)數(shù),當(dāng)十位數(shù)為2時(shí),個(gè)位進(jìn)行4進(jìn)制計(jì)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(duì)所調(diào)用的器件進(jìn)行合適的控制。而若采用VHDL語言對(duì)其功能進(jìn)行描述,問題則顯得非常簡單。
下面是用VHDL語言設(shè)計(jì)的24進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)器count24模塊∶
ENTITY count24 IS
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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(shí)體,它的電路意義就相當(dāng)于器件的外部接口,在電路圖上相當(dāng)于一個(gè)元件符號(hào)。該實(shí)體是一個(gè)完整、獨(dú)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(dāng)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(jìn)程區(qū)內(nèi),通過定義兩個(gè)整型中間變量cntb、cnta分別表示十位和個(gè)位,之后用IF語句說明當(dāng)時(shí)鐘到來時(shí),這兩個(gè)變量的計(jì)數(shù)和進(jìn)位情況,當(dāng)進(jìn)程結(jié)束后,再將這兩個(gè)中間變量分別賦給輸出變量qb和qa。整個(gè)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(jìn)行編譯,本設(shè)計(jì)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(cuò)誤和警告,都將在VHDL編譯器窗口上提示,設(shè)計(jì)者可根據(jù)提示對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。當(dāng)編譯通過時(shí),建網(wǎng)表、邏輯綜合、適配、劃分、時(shí)域分析、裝配等均已自動(dòng)完成,并生成多個(gè)后續(xù)工作要用的文件。編譯的成功表明已為所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目建立了一個(gè)編程文件,但還不能保證該設(shè)計(jì)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(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jì)進(jìn)行修改。上述模塊經(jīng)功能仿真和時(shí)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(jì)完成后存檔,待建立頂層文件時(shí)調(diào)用。
接下來再用VHDL語言對(duì)底層中其它所有模塊一一進(jìn)行設(shè)計(jì),這包括:秒、分計(jì)數(shù)器(均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器)、14級(jí)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(dāng)模塊設(shè)計(jì)完成后均要存檔,待建立頂層文件時(shí)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(dāng)?shù)讓又兴心K均設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)打開查看并修改任一層次的設(shè)計(jì)。當(dāng)最后確認(rèn)設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求時(shí),再將編譯后的頂層文件下載到目標(biāo)芯片PFGA/CPLD中。
綜上所述,整個(gè)系統(tǒng)各層次模塊均采用VHDL語言描述,其優(yōu)點(diǎn)主要有下述三個(gè)方面∶(1)能進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的行為描述,從邏輯行為上對(duì)模塊進(jìn)行描述和設(shè)計(jì),大大降低了設(shè)計(jì)難度。(2)描述的設(shè)計(jì)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(hù)和修改。(3)支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用。
僅上述這三個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是電路圖輸入和其它HDL語言所不能實(shí)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(jìn)入實(shí)用,VHDL強(qiáng)大的系統(tǒng)描述能力、規(guī)范的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和靈活的語句表達(dá)風(fēng)格使其必將擔(dān)負(fù)起大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾乎全部設(shè)計(jì)任務(wù)。