VHDL語(yǔ)言及其應(yīng)用介紹
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝高速度、大容量、小體積的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的自 底而上的設(shè)計(jì)方法已難以適應(yīng)形勢(shì)。EDA(Electronic Design Automation)技術(shù) 的應(yīng)運(yùn)而生，使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了根本的變革。EDA技術(shù)就是依賴功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺(tái)上，對(duì)以硬件描述語(yǔ)言VHDL(Very High Speed Integrated Circui t Hardware Description Language)為系統(tǒng)邏輯描述手段自頂而下地逐層完成相應(yīng)的描述 、綜合、優(yōu)化、仿真與驗(yàn)證，直至生成器件。VHDL語(yǔ)言是目前應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)仿真最為實(shí) 用的語(yǔ)言之一。
1VHDL特點(diǎn)
VHDL語(yǔ)言最早由美國(guó)國(guó)防部提出。用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是電子電路設(shè)計(jì)方法上的一次革命性變革。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，VHDL描述電路行為的算法有很多優(yōu)點(diǎn)：
(1) 設(shè)計(jì)層次較高、用于較復(fù)雜的計(jì)算時(shí)，能盡早發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期。
(2) 獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，修改方便，系統(tǒng)硬件描述能力強(qiáng)。
(3) 可讀性好，有利于交流，適合于文檔保存。
(4) VHDL語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、移植性強(qiáng)。
(5) VHDL類型眾多而且支持用戶自定義類型，支持自頂而下的設(shè)計(jì)方法和多種電路的設(shè)計(jì)。
2 數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程
VHDL按要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，然后綜合、仿真、適配，當(dāng)確認(rèn)設(shè)計(jì)符合要求時(shí)，再將設(shè)計(jì)映 射至實(shí)際的邏輯器件中，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
VHDL語(yǔ)言已日益成為一種通用的硬件設(shè)計(jì)交換媒介，計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的供應(yīng)商已把VHDL作為其CAD或EDA軟件輸入與輸出的標(biāo)準(zhǔn)。其中ALTERA公司提供了一套十分有特色的綜合工具M(jìn)AX+PLUSⅡ，他提供了全面的邏輯設(shè)計(jì)能力，從編輯、綜合、布線到仿真、下載一氣呵成，十分方便。
3 設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真結(jié)果
3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例
以交通信號(hào)燈主控制電路的設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用MAX+PLUSⅡ軟件平臺(tái)，來(lái)說(shuō)明VHDL語(yǔ)言在EDA仿真中的應(yīng)用。設(shè)有一個(gè)主干道與支干道的交叉路口，每邊都設(shè)有紅、黃、綠信號(hào)燈，設(shè)計(jì)一 個(gè)控制器優(yōu)先保證主干道的暢通。該設(shè)計(jì)實(shí)例的基本功能描述為：
(1)平時(shí)處于“主干道綠燈，支道紅燈”狀態(tài)，只有在支道有車(chē)輛要穿行主干道時(shí)，才將交通燈切向“主干道紅燈，支道綠燈”。
(2)一旦支道無(wú)車(chē)輛通過(guò)路口，交通燈又回到“主干道綠燈，支道紅燈”的狀態(tài)。
(3)主干道和支干道每次通行的時(shí)間不得短于30 s，在兩個(gè)狀態(tài)交換過(guò)程出現(xiàn) “主黃，支紅”和“主紅，支黃”狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間都是4 s。該功能描述的狀態(tài)圖如圖2所示。
因?yàn)橹鞲傻篮椭Ц傻栏饔?種燈(紅、黃、綠)，他們?cè)谡９ぷ鲿r(shí)，發(fā)亮的燈只有4種可能：
(1)主綠燈和支紅燈亮——主干道通行。
(2)主黃燈和支紅燈亮——主干道停車(chē)。
(3)主紅燈和支綠燈亮——支干道通行。
(4)主紅燈和支黃燈亮——支干道停車(chē)。
根據(jù)交通燈信號(hào)控制的要求，可把他分解為定時(shí)器和控制器兩部分。CLK：時(shí)鐘脈沖;SM ：主干道來(lái)車(chē)信號(hào);SB：支干道來(lái)車(chē)信號(hào);MR：主干道紅燈;MY：主干道黃燈;MG：主干道 綠燈;BR：支干道紅燈;BY：支干道黃燈;BG：支干道綠燈。主控制電路設(shè)計(jì)程序如下：
3.2 仿真結(jié)果分析
利用MAX+PLUSⅡ?qū)τ蒝HDL編寫(xiě)的主控制電路程序進(jìn)行編譯和仿真，由分析知，主干道和支干道的控制燈正常工作時(shí)只有4種狀態(tài)，而這4種狀態(tài)完全取決于按鍵SM(主干道來(lái)車(chē)信號(hào))和SB(支干道來(lái)車(chē)信號(hào))，故本設(shè)計(jì)主控制電路的仿真結(jié)果共有4個(gè)，由于當(dāng)SM和SB都是 低電平(為0)時(shí)，所有的指示燈都為低電平，即都不被點(diǎn)亮，故可分3種情況討論仿真結(jié)果，由于篇幅所限，本文只給出主干道有車(chē)、支干道有車(chē)時(shí)的仿真結(jié)果。
當(dāng)主、支干道都有車(chē)時(shí)，這種情況相對(duì)復(fù)雜，他體現(xiàn)了控制器的精華部分，為了把此時(shí)的仿真波形更加具體化，特分3張圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明其工作過(guò)程，如圖3所示。
由圖3(a)知，控制器剛開(kāi)始工作時(shí)，主干道綠燈、支干道紅燈被點(diǎn)亮，控制器處于狀態(tài)S1(本設(shè)計(jì)輸出延遲0.5 s，符合要求)。由圖3(b)分析知，當(dāng)主、支干道都有車(chē)時(shí)，狀態(tài)S1保持到第30 s后，開(kāi)始轉(zhuǎn)向狀態(tài)S2，即主干道由黃燈轉(zhuǎn)為綠燈亮并保持4 s，支干道紅 燈持續(xù)亮并也保持4 s，4 s后，控制器開(kāi)始向狀態(tài)S3轉(zhuǎn)變，主干道由黃燈亮轉(zhuǎn)為紅燈亮，支干道由 紅燈亮轉(zhuǎn)化為綠燈亮。由圖3(a)和(b)知當(dāng)主支干道都有車(chē)時(shí)前半階段支干道的紅燈被點(diǎn) 亮的時(shí)間等于主干道黃燈和綠燈的時(shí)間被點(diǎn)亮的時(shí)間(34 s)，符合前述的設(shè)計(jì)情況。
狀態(tài)S3一直保持了30 s，即在第64 s時(shí)發(fā)生了變化，開(kāi)始向狀態(tài)S4轉(zhuǎn)變，支干道由綠燈亮轉(zhuǎn) 化為黃燈亮，主干道繼續(xù)保持紅燈亮4 s，4 s過(guò)后，也就是在第68 s時(shí)，控制器又由狀態(tài)S4 轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)S1，主干道由紅燈亮轉(zhuǎn)化為綠燈亮，支干道由黃燈亮轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈亮，完成了一個(gè) 周期的控制工作，由圖3(c)知在一個(gè)周期的下半段主干道紅燈亮的時(shí)間等于支干道黃燈和綠 燈被點(diǎn)亮的時(shí)間之和(34 s)，經(jīng)分析知此程序完全實(shí)現(xiàn)了前述的控制要求。
4 結(jié)語(yǔ)
EDA技術(shù)徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)手段，借助于硬件描述語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)VHDL 和強(qiáng)大的EDA工具，可減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并縮短周期，隨著VHDL語(yǔ)言使用范圍的日益擴(kuò)大，必將 給硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)巨大的改革。
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