基于VHDL邏輯電路設(shè)計與應(yīng)用

1、引言

電子產(chǎn)品隨著技術(shù)的進(jìn)步，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。EDAI'輝lectronicDesignAutomatic)技術(shù)的應(yīng)用很好地適應(yīng)了這一特點。通過設(shè)計和編程，由可編程邏輯器件CPLD/FPGAn-構(gòu)成的數(shù)字電路，取代了常規(guī)的組合和時序邏輯電路，實現(xiàn)了單片化，使體積、重量、功耗減小，提高了可靠性。

目前EDA技術(shù)在一般的數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它將成為今后電子設(shè)計的主流。VHDL語言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，應(yīng)用越來越廣泛。VHDL語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級電路，其高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用;設(shè)計者可以實現(xiàn)從文本編輯、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時序仿真到編程下載整個開發(fā)過程，大大減輕了設(shè)計人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計質(zhì)量，減少了出錯的機(jī)會。下面介紹如何在美國ALTERA公司的MAX+PLUSH平臺上應(yīng)用VHDL實現(xiàn)串行加法器。

2、串行加法器設(shè)計原理

多位串行加法器的工作原理閻是從最低位開始逐位相加并向高位進(jìn)位，基于這個原理，采用移位加法實現(xiàn)串行加法器。設(shè)兩個無符號數(shù)A=a-tart...ao和B=b.-,b,^...bo，兩者相加產(chǎn)生的和SUM=S-lS-:...So，其工作原理如圖1所示，由三個移位寄存器和一個加法器有限狀態(tài)機(jī)組成，其中三個寄存器用來存放A,B和Sum數(shù)據(jù)。其工作原理是，假定輸人移位寄存器有并行加載功能，首先把A,B的值加載到寄存器，然后在每一個時鐘周期，通過加法器有限狀態(tài)機(jī)將相應(yīng)的一位相加，在時鐘周期的結(jié)尾處將這一位相加結(jié)果移到Sum寄存器。三個寄存器都采用同步正邊沿觸發(fā)器，所有變化都在時鐘正邊沿之后很快發(fā)生，這時三個寄存器的內(nèi)容都向右移，將已得到的和位移到Sum，并把兩個加數(shù)寄存器的下一個位a與b:送給加法器有限狀態(tài)機(jī)。

加法器有限狀態(tài)機(jī)的工作原理:由兩個狀態(tài)M和N分別表示進(jìn)位值0和10狀態(tài)圖如圖2所示，采用有限狀態(tài)機(jī)的Mealy模型。由于每一位相加，都是由全加器構(gòu)成的，因此根據(jù)狀態(tài)圖可寫出次態(tài)全加器的邏輯表達(dá)式:

Y=ab+ay+by

s=a+b+y

其中y為進(jìn)位輸人，a和b為兩個輸人數(shù)據(jù)，Y為進(jìn)位輸出，s為全加器的和。串行加法器可以實現(xiàn)任意位數(shù)據(jù)加法的簡單電路。

3、基于VHDL串行加法器的實現(xiàn)

串行加法器的VHDL描述由移位寄存器和加法器有限狀態(tài)機(jī)組成?？梢园岩莆患拇嫫髯鳛橐粋€子電路，在主程序中可以多次調(diào)用。

3.1移位寄存器實現(xiàn)

下面是4位移位寄存器的VHDL代碼，采用FOR LOOP結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，源程序如下:

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD-LOGIC-1164.ALL;

ENTITYshiftIS GENERIC(n:INTEGER:=4);

PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0);

1,e,w:INSTD-LOGIC;

clk:INSTD_LOGIC;

q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));

ENDshift;

ARCHITECTUREbehaOFshiftIS

BEGIN

PROCESS

BEGIN

WATTUNTILclk'EVENTANDclk='1';

IFe='1'THEN

IF1='l'THEN

q=r,

ELSE

gebit:FORiIN0TOn-2LOOP

q(i)=q(i+l);

END LOOP;

q(n-1)=w;

ENDIF;

ENDIF;

ENDPROCESS;

ENDbeha;

若要實現(xiàn)更多位移位寄存器，則只要修改n值即可。程序中r是輸人信號，clk是時鐘信號，e是使能端。當(dāng)1='1’時對移位寄存器并行加載，卜'0’時，寄存器處于右移狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)從輸人端w移人寄存器的最高位。仿真結(jié)果如圖3所示。

3.2串行加法器的VHDL設(shè)計

八位串行加法器VHDL代碼如下:

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STDLOGIC-1164.ALL;

ENTITY adderIS

GENERIC(length:INTEGER:=8);

PORT(erset:INSTDLOGIC;

clk:INSTD-LOGIC;

a,b:INSTD-LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);

co:outSTD-LOGIC;

sum:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(length一1DOWNTO0));

ENDadder;

ARCHITECTUREbehaOFadderIS COMPONENTshift

GENERIC(n:INTEGER:=4);

PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO1,e,w:INSTD-LOGIC;

elk:INSTD-LOGIC;

q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));

ENDCOMPONENT;

SIGNALga,gb,null-in:STD_LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);

SIGNALs,low,high,run:STD-LOGIC;

SIGNALcount:INTEGERRANGE0TOlength;

TYPEstate-typeIS(M,N);

SIGNALy:state-type;

BEGIN

low='0';

high二，1';

shiftA:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(a,erset,high,low,clk,ga);

shiftB:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(b,reset,high,low,clk,gb);

adderFSM:PROCESS(erset,clk)BEGIN

IFerset='l'THEN

y=M;

ELSIFelk'EVENTANDclk='1'THEN

CASEyIS

WHENM=>IF(qa(0)，1'ANDqb(0)='1')THENy=N;

ELSE

y=M;

ENDIF;

WHENN=>

IF(ga(0)='0'ANDqb(0)='0')THENy-M;

ELSE

y=N;

ENDIF;

ENDCASE;

ENDIF;

ENDPROCESSadderFSM;

WITHySELECT

s-ga(0)XORqb(0)WHENM,

NOT(ga(0)XORqb(0))WHENN;

Null_in二(OTHERS=>'0');

shiftsum:shiftGENERICMAP(n=>length)

PORTMAP(nulin,erset,run,s,clk,sum);

stop:PROCESS

BEGIN

WAITUNTIL(elk'EVENTANDclk='1');

IFerset='1'THEN

count=length;

E,ISIFrun='l'THEN

count=count-1;

ENDIF;

ENDPROCESS;

run='0'WHENcount-OELSE'1';

co一out:PROCESS

BEGIN

WAITUNTIL(clk-EVENTANDclk='1');

IFy=MTHEN

co=，0';

EISE

co=，1';

ENDIF;

ENDPROCESScoout;

ENDbeha;

程序中采用三個進(jìn)程描述:adderFSM進(jìn)程描述加法器有限狀態(tài)機(jī);stop進(jìn)程描述減法計數(shù)器，用來決定加法器什么時候由于n位所要求的和出現(xiàn)在輸出移位寄存器而停止;co-out描述進(jìn)位co輸出。

程序經(jīng)Max+PlusII中的Compiler編譯，再通過Simulator和Timinganalyzer工具分別進(jìn)行功能仿真和時序仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，其中reset是輸人控制端，clk是時鐘信號,a和b是輸人數(shù)據(jù)，sum是和數(shù)，co是進(jìn)位，y表示有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。仿真正確后，可通過計算機(jī)并口上的Byteblaster下載電纜將生成的配置文件直接下載到芯片MAXEPM7128SLC84-15進(jìn)行驗證，測試結(jié)果與實際相符。

4、結(jié)束語

本文通過串行加法器VHDL設(shè)計表明，VHDL在邏輯電路的設(shè)計中具有以下優(yōu)點:

(1)VHDL語言硬件描述能力強(qiáng)、設(shè)計方法靈活;(2)設(shè)計者只需掌握VHDL語言及相關(guān)EDA設(shè)計軟件的使用，而不需考慮較多的硬件結(jié)構(gòu)就可以設(shè)計所需要的數(shù)字系統(tǒng);(3)隨時可對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行仿真，查驗系統(tǒng)功能;(4)程序可移植性強(qiáng)、易于修改;因此，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，作為當(dāng)代電子設(shè)計人員，HDL已成為設(shè)計數(shù)字硬件時常用的一種重要手段。