隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展，利用FPGA／CPLD進行數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)已被廣泛應用于通信、航天、醫(yī)療電子、工業(yè)控制等領域。與傳統(tǒng)電路設計方法相比，F(xiàn)PGA／CPLD具有功能強大，開發(fā)周期短，投資少，便于追蹤市場變化及時修改產(chǎn)品設計，以及開發(fā)工具智能化等特點。近年來，F(xiàn)PGA／CPLD發(fā)展迅速，隨著集成電路制造工藝的不斷進步，高性價比的FPGA／CPLD器件推陳出新，使FPGA／CPLD成為當今硬件設計的重要途徑。在FPGA／CPLD的應用設計開發(fā)中，VHDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性，并在語言易讀性和層次化、結(jié)構(gòu)化設計方面。表現(xiàn)出了強大的生命力和應用潛力。
QuartusⅡ是Altera公司在21世紀初推出的FPGA／CPLD集成開發(fā)環(huán)境，是Altera公司前一代FPGA／CPLD集成開發(fā)環(huán)境Max+PlusⅡ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷，功能強大，為設計者提供了一種與結(jié)構(gòu)無關的設計環(huán)境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。
計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中使用最多的時序電路之一，不僅能用于對時鐘脈沖計數(shù)，還可以用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進行數(shù)字運算等。可變模計數(shù)器由于計數(shù)容量可以根據(jù)需要進行變化，為其廣泛使用創(chuàng)造了便利。這里在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下，用VHDL語言設計了一種具有清零、置數(shù)、使能控制、可逆計數(shù)和可變模功能的計數(shù)器。
1 基本可變模計數(shù)器設計
可變模計數(shù)器是指計數(shù)／模值可根據(jù)需要進行變化的計數(shù)器。電路符號圖1所示，clk為時鐘脈沖輸入端，clr為清零端，m為模值輸入端，q為計數(shù)輸出端。
基本可變模計數(shù)器的VHDL代碼如下所示：
說明：上述代碼設計采用了常用的if語句結(jié)構(gòu)，即“if條件句then順序語句elsif條件句then順序語句else順序語句end if”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)模值小于99的可變模計數(shù)。
從上述的代碼可以看出，基本的可變模計數(shù)器的功能單一。仿真驗證則表明在進行模值變換時，基本的可變模計數(shù)器存在一些功能上的缺陷：計數(shù)器若是由較小的模值變化為較大的模值時，能正常的進行變模計數(shù)；但當其由較大的模值變化為較小的模值，則可能出現(xiàn)計數(shù)失控，如圖2所示，圖中顯示了當模值由12變換為7時，即發(fā)生了計數(shù)失控。失控的原因是大于當模值由12變換為7時，計數(shù)輸出為q為11，大于當前模值7的計數(shù)最大值6，由此產(chǎn)生了計數(shù)失控。
2 改進的多功能可變模計數(shù)器
為了克服上述基本可變模計數(shù)器的缺陷，并增加更多的控制功能，在此設計了一種改進的多功能可變模計數(shù)器，具有清零、置數(shù)、使能控制、可逆計數(shù)和可變模功能。其電路符號如圖3所示，clk為時鐘脈沖輸入端，m為模值輸入端，clr為清零控制端，s為置數(shù)控制端，d為置數(shù)輸入端，en為使能控制端，updn為計數(shù)方向控制端，q為計數(shù)輸出端，co為進位輸出端。
這里所設計的多功能可變模計數(shù)器的VHDL代碼如下所示：
LIBRARY IEEE；
值得注意的是，這里所設計的多功能可變模計數(shù)器具有如下特點：
(1)該設計的多功能可變模計數(shù)器具有多個功能控制端。因此各個控制端的優(yōu)先權(quán)順序就成為設計的關鍵，經(jīng)過理論分析和仿真調(diào)試，最終確認的優(yōu)先權(quán)順序為：clr(清零)→clk(時鐘觸發(fā))→s(置數(shù))→en(使能)→updn(計數(shù)方向)。這個優(yōu)先權(quán)順序可以有效地保證各個功能的完整實現(xiàn)，以及技術(shù)器的穩(wěn)定運行。
(2)為了防止出現(xiàn)計數(shù)失控，大多數(shù)計數(shù)器采用給計數(shù)器增加一個復位控制端的辦法，當發(fā)現(xiàn)計數(shù)輸出q發(fā)生了計數(shù)失控時，通過復位控制端將計數(shù)器復位來排除計數(shù)失控。這種方法雖然有效，但是每次出現(xiàn)計數(shù)失控都要手動控制復位，給實際使用帶來了不便。該設計的多功能可變模計數(shù)器中，將當前的計數(shù)輸出q與當前的計數(shù)最大值m_temp進行比較，如果q比m_temp大，則強制將m＿temp賦給q，這樣就可以自動避免計數(shù)失控，不必再增加手動的復位控制端。
3 仿真結(jié)果分析
該多功能可變模計數(shù)器在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進行了仿真驗證，功能仿真波形如圖4所示，時序仿真波形如圖5所示。
仿真結(jié)果分析如下：
(1)clk為時鐘信號，由時鐘信號的上升沿觸發(fā)計數(shù)；
(2)m為模值輸入端，當其變化時，計數(shù)容量相應發(fā)生變化；
(3)clr為清零控制端，當其為高電平時清零；
(4)s為置數(shù)控制端，當其為高電平時將置數(shù)輸入端d的數(shù)據(jù)加載到輸出端q；
(5)en為使能控制端，當其為高電平時正常計數(shù)，當其為低電平時暫停計數(shù)；
(6)updn為計數(shù)方向控制端，當其為高電平時計數(shù)器加法計數(shù)，當其為低電平時計數(shù)器減法計數(shù)。
4 結(jié) 語
這里所設計的多功能可變模計數(shù)器在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進行了仿真驗證后，下載到湖北眾友科技實業(yè)股份有限公司的ZY11EDA13BE實驗箱中進行了硬件驗證。該實驗箱使用ACEX1K系列EP1K30QC208芯片作為核心芯片．實驗證明設計正確，功能完整，運行穩(wěn)定。另外，該設計的多功能可變模計數(shù)器可根據(jù)需要將模值的最大值由99進一步擴展，獲得更高的計數(shù)模值。
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