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，FPGA／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(chǎng)可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)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(jiǎn)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搿⒎?、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(jiǎn)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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