【摘 要】 通過設計實例詳細介紹了用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。
關鍵詞：VHDL，F(xiàn)PGA／CPLD，EDA
1 引 言
EDA（電子設計自動化）關鍵技術之一是采用硬件描述語言（HDL）描述電路系統(tǒng)，包括電路結構、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對系統(tǒng)的行為描述能力最強，已被IEEE確定為標準HDL，并得到目前所有流行EDA軟件的支持，進而成為系統(tǒng)設計領域最佳的硬件描述語言。用VHDL設計電路系統(tǒng)，可以把任何復雜的電路系統(tǒng)視為一個模塊，對應一個設計實體。在VHDL層次化設計中，它所設計的模塊既可以是頂層實體，又可以是較低層實體，但對不同層次模塊應選擇不同的描述方法（如行為描述或結構描述）。本文在設計實例中詳細介紹了用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 設計實例
一個復雜電路系統(tǒng)的設計都是采用自頂向下將系統(tǒng)按功能逐層分割的層次化設計方法。在頂層設計中，要對內部各功能塊的連接關系和對外的接口關系進行描述，而功能塊實際的邏輯功能和具體的實現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。在系統(tǒng)的底層設
計中，如采用VHDL進行描述，由于其對系統(tǒng)很強的行為描述能力，可以不必使系統(tǒng)層層細化，從而避開具體的器件結構，從邏輯行為上直接對模塊進行描述和設計，之后，EDA軟件中的VHDL綜合器將自動將程序綜合成為具體FPGA／CPLD等目標芯片的網表文件，無疑可使設計大為簡化。下面以數(shù)字鐘的設計為例予以說明。
數(shù)字鐘的功能主要有：
·能夠對秒、分、小時進行計時（按每日24小時計時制）。
·秒、分、小時位能夠調整。
根據數(shù)字鐘的功能要求，可將數(shù)字鐘分為四個功能塊：秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、校時器和顯示電路。而這些功能塊又可進一步分割為更小的模塊，如計數(shù)器模塊可再分為秒、分、小時計數(shù)器。其它功能塊的細化過程不再詳述，數(shù)字鐘的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中，P1鍵為自動計時、校時、校分和校秒四種工作狀態(tài)選擇鍵，P2鍵為系統(tǒng)處于校時狀態(tài)時對時、分、秒進行校準的校時鍵，32．768kHz為作為脈沖源的晶振頻率，經14級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，這三個脈沖信號分別用作計時脈沖、校時脈沖和顯示電路的掃描時鐘。下面用VHDL語言設計底層的小時計數(shù)器。小時計數(shù)器為一個24進制BCD碼計數(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鐘端，qb和qa分別為十位和個位的四位BCD碼輸出端。該模塊計數(shù)方式的實現(xiàn)比較復雜，當十位數(shù)為0或1時，個位進行10進制計數(shù)，當十位數(shù)為2時，個位進行4進制計數(shù)。如用電路圖描述，則必須選擇和調用若干門、觸發(fā)器或宏單元，并需對所調用的器件進行合適的控制。而若采用VHDL語言對其功能進行描述，問題則顯得非常簡單。
下面是用VHDL語言設計的24進制BCD碼計數(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體，它的電路意義就相當于器件的外部接口，在電路圖上相當于一個元件符號。該實體是一個完整、獨立的語言模塊，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、輸出性質及其數(shù)據類型；由語句ARCHITECTURE開始，到END count24arc結束為結構體層次，結構體層次用于描述count24內部的邏輯功能，在電路上相當于器件的內部電路結構。描述邏輯功能的具體做法是，在結構體的進程區(qū)內，通過定義兩個整型中間變量cntb、cnta分別表示十位和個位，之后用IF語句說明當時鐘到來時，這兩個變量的計數(shù)和進位情況，當進程結束后，再將這兩個中間變量分別賦給輸出變量qb和qa。整個程序不長，邏輯描述十分簡潔、明了。
上述程序輸入完成后，首先要經EDA軟件進行編譯，本設計采用的是美國Altera公司的MAX＋PLUS2II軟件，經該軟件中的Compiler編譯器編譯后，若有任何信息、錯誤和警告，都將在VHDL編譯器窗口上提示，設計者可根據提示對設計進行修改。當編譯通過時，建網表、邏輯綜合、適配、劃分、時域分析、裝配等均已自動完成，并生成多個后續(xù)工作要用的文件。編譯的成功表明已為所設計的項目建立了一個編程文件，但還不能保證該設計在各種可能的情況下都有正確的響應，因而編譯通過后，還必須用MAX＋PLUSII的Simulator仿真器和Timing Analyzer工具分別進行功能仿真和時序仿真，以驗證設計是否完全符合要求，若發(fā)現(xiàn)有問題，則必須返回原設計進行修改。上述模塊經功能仿真和時序仿真都沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。圖3所示即為上述模塊的仿真波形。該模塊設計完成后存檔，待建立頂層文件時調用。
接下來再用VHDL語言對底層中其它所有模塊一一進行設計，這包括：秒、分計數(shù)器（均為60進制計數(shù)器）、14級2分頻器、24選4數(shù)據選擇器、BCD七段譯碼器、節(jié)拍發(fā)生器等。所有程序均經MAX＋PLUS2II軟件的編譯和仿真。當模塊設計完成后均要存檔，待建立頂層文件時調用。
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。只是應選擇不同的描述方法而已。當?shù)讓又兴心K均設計完成后，采用VHDL語言中的結構描述法，用元件調用語句調用底層各模塊并進行連接，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過EDA軟件的編譯和仿真，在此過程中，如有需要，還可隨時打開查看并修改任一層次的設計。當最后確認設計完全符合設計要求時，再將編譯后的頂層文件下載到目標芯片PFGA／CPLD中。
綜上所述，整個系統(tǒng)各層次模塊均采用VHDL語言描述，其優(yōu)點主要有下述三個方面∶（1）能進行系統(tǒng)級的行為描述，從邏輯行為上對模塊進行描述和設計，大大降低了設計難度。（2）描述的設計思想、電路結構和邏輯關系清晰明了，便于存檔、查看、維護和修改。（3）支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用。
僅上述這三個優(yōu)點，就是電路圖輸入和其它HDL語言所不能實現(xiàn)的。
3 結束語
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已進入實用，VHDL強大的系統(tǒng)描述能力、規(guī)范的程序設計結構和靈活的語句表達風格使其必將擔負起大系統(tǒng)設計的幾乎全部設計任務。
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