基于VHDL的数字系统层次化设计方法

赵辉

（天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）

电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）是随着电子系统设计技术的发展而发展起来的一门新技术。它是以计算机为工作平台，以EDA软件为开发环境，以硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language）为设计语言，以可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）为实验载体，以专用集成电路（ASIC）芯片为设计的目标器件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术[1-2]。参考文献[3-6]阐述了随着电子设计技术的发展EDA技术的发展过程，直到20世纪90年代EDA技术得到全新的发展。这一阶段的主要特征是以高级硬件描述语言 （VHDL、AHDL或 Verilog HDL）、系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，实现了整个系统设计过程的自动化。

EDA技术的关键之一是用硬件描述语言对硬件电路进行描述。在各种类型的硬件描述语言中，超高速集成电路硬件描述语言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种全方位的硬件描述语言，1987年被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言[7-8]。它用软件编程的方式来描述硬件系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流、行为3种描述形式的混合描述，几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个“自顶向下”或“自底向上”的电路设计过程都可以用VHDL来完成。在电子设计工程领域，它承担了几乎全部数字系统的设计任务，更适合大规模数字系统的设计。本文以Altera公司提供的MAX+PLUS II为平台，通过对数字频率计的设计，介绍基于VHDL的数字系统层次化设计方法。

1 数字频率计设计系统的组成

本设计中的数字频率计是一个8位十进制数字频率计，它由3个模块组成：一个测频控制信号发生器模块TESTCTL、8个具有时钟使能的十进制计数器模块CNT10和一个32 bit锁存器模块REG32B。数字频率计系统的顶层电路原理图如图1所示。

图1 数字频率计的顶层电路

2 各模块电路的设计及仿真

2.1 测频控制信号发生器的设计

频率测量的基本原理是计算每秒中内待测信号的脉冲个数，这就要求测频信号发生器TESTCTL的计数使能信号TSTEN能产生一个1 s脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器的使能端EN进行同步控制。当TSTEN为高电平时，允许计数；低电平时，停止计数，并保持其所计的数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号LOAD的上升沿将计数器在前1 s钟计数值锁存进32 bit锁存器REG32B，由外部的7段译码器译出并稳定显示。锁存信号之后，必须有一清零信号CLR对计数器进行清零，为下一秒钟的计数作准备。测频控制信号发生器模块用VHDL语言编程实现，程序如下：

将该模块的设计通过MAX+PLUS II软件进行输入、编译、逻辑综合和功能仿真，验证设计的正确性。测频控制信号发生器的仿真结果如图2所示。

图2 测频控制信号发生器的仿真结果

2.2 十进制计数器的设计

此计数器的特殊之处在于有一个时钟使能输入端EA，用于锁定计数值。当EA为高电平时允许计数，低电平时禁止计数。十进制计数器的仿真波形如图3所示。

图3 十进制计数器的仿真

2.3 32位锁存器的设计

设置锁存器的作用是使显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。如果有32 bit BCD码存在于此模块的输入口，在信号LOAD的上升沿后即被锁存到寄存器内部，并由锁存器的输出端输出，然后由7段译码器译成能在数码管上显示的对应数值。

3 顶层电路的设计及仿真

使用MAX+PLUS II的文本输入方式完成各模块程序的输入，将各程序进行编译、仿真，然后生成各模块的默认电路符号。建立系统顶层原理图文件，调用各模块电路符号，按图1完成系统顶层原理图设计，并对系统原理图进行编译、逻辑综合及仿真。最后将设计结果下载到指定的CPLD芯片，连接硬件电路，最终完成整个系统的设计。8位十进制数字频率计系统的仿真结果如图4所示。

图4 数字频率计的仿真

EDA技术彻底改变了数字系统的设计方法和实现手段，使电子系统的设计由硬件设计转变为以VHDL语言为核心的编程设计，借助于国际标准的VHDL语言和强大的EDA工具，使电子系统的设计变得思路简单，功能明了。使用CPLD可以反复进行硬件实验，降低了硬件电路的复杂程度，且设计电路的保密性强。通过修改程序就可以非常方便地修改设计，提高了设计的灵活性，大大缩短了设计周期，提高了设计的效率。与以前的传统设计相比，本文的设计具有硬件电路简单、可靠性高、灵活性强等特点。

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