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第三章、自动打铃器的软件实现 第二章、VHDL语言及其编程环境1VHDL语言简介VHDL的历史VHDL是VHSIC Hardware Description Language的缩写;VHSICVery High Speed Integrated Circuit（1982年）；由美国国防部（DOD）制定，以作为各合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案；1987年被采纳为IEEE1076标准；1993年被更新为IEEE1164标准。VHDL的出现是为了适应电子系统设计的日益复杂性。若以计算机软件的设计与电路设计做个类比，机器码好比晶体管/MOS管；汇编语言好比网表；则HDL语言就如同高级语言，VHDL在语法和风格上类似与现代高级编程语言，如C语言。但要注意，VHDL描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。 现在VHDL被广泛用于：电路设计的文档记录；设计描述的逻辑综合；电路仿真。采用VHDL及自顶向下方法在大型数字系统设计中被广泛采用。在设计中你可采用较抽象的语言（行为/算法）来描述系统结构，然后细化成各模块，最后可借助编译器将VHDL描述综合为门级。VHDL语言的优点 传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言（Hardware Description Language，简称HDL）。但这些硬件描述语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是，美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL，称之为VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit） Hardware Description Language，简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到门级电路，最后用PLD实现其功能。综合起来讲，VHDL语言具有如下优点：覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。在VHDL 语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。利用VHDL语言设计数字系统的特点当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点： 采用自上而下的设计方法。即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在设计的过程中，对系统自上而下分成三个层次进行设计：第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质上就是对整个系统的数学模型的描述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用何种方法来实现，而是考虑系统的结构及其工作的过程是否能到达系统设计的要求。第二层次是RTL方式描述。这一层次称为寄存器传输描述（又称数据流描述）。如前所述，用行为方式描述的系统结构的程序，其抽象程度高，是很难直接映射到具体逻辑元件结构的。要想得到硬件的具体实现，必须将行为方式描述的VHDL语言程序改写为RTL方式描述的VHDL语言程序。也就是说，系统采用RTL方式描述，才能导出系统的逻辑表达式，才能进行逻辑综合。第三层次是逻辑综合。即利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件（门级网络表）。此时，如果需要，可将逻辑综合的结果以逻辑原理图的方式输出。此后可对综合的结果在门电路级上进行仿真，并检查其时序关系。应用逻辑综合工具产生的门级网络表，将其转换成PLD的编程码点，即可利用PLD实现硬件电路的设计。由自上而下的设计过程可知，从总体行为设计开始到最终的逻辑综合，每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统的设计周期。 系统可大量采用PLD芯片。由于目前众多制造PLD芯片的厂家，其工具软件均支持VHDL语言的编程。所以利用VHDL语言设计数字系统时，可以根据硬件电路的设计需要，自行利用PLD设计自用的ASIC芯片，而无须受通用元器件的限制。采用系统早期仿真。从自上而下的设计过程中可以看到，在系统设计过程中要进行三级仿真，即行为层次仿真、RTL层次仿真和门级层次仿真。这三级仿真贯穿系统设计的全过程，从而可以在系统设计的早期发现设计中存在的问题，大大缩短系统设计的周期，节约大量的人力和物力。降低了硬件电路设计难度。在传统的设计方法中，往往要求设计者在设计电路之前写出该电路的逻辑表达式或真值表（或时序电路的状态表）。这一工作是相 当困难和繁杂的，特别是当系统比较复杂时更是如此。而利用VHDL语言设计硬件电路时，就可以使设计者免除编写逻辑表达式或真值表之苦，从而大大降低了设计的难度，也缩短了设计的周期。主要设计文件是用VHDL语言编写的源程序。 与传统的电路原理图相比，使用VHDL源程序有许多好处：其一是资料量小，便于保存。其二是可继承性好。当设计其他硬件电路时，可使用文件中的某些库、进程和过程等描述某些局部硬件电路的程序。其三是阅读方便。阅读程序比阅读电路原理图要更容易一些，阅读者很容易在程序中看出某一电路的工做原理和逻辑关系。而要从电路原理图中推知其工作原理则需要较多的硬件知识和经验。2、VHDL编程环境 MaxplusIIMax+plusII(或写成Maxplus2,或MP2) 是Altera公司推出的的第三代PLD开发系统(Altera第四代PLD开发系统被称为：QuartusII，主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA).使用MAX+PLUSII的设计者不需精通器件内部的复杂结构。设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计，MAX+PLUSII把这些设计转自动换成最终所需的格式。其设计速度非常快。对于一般几千门的电路设计，使用MAX+PLUSII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。设计处理一般在数分钟内内完成。特别是在原理图输入等方面，Maxplus2被公认为是最易使用，人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。在这里我们可以先看一看用FPGACPLD开发工具进行电路设计的一般流程，通常可将FPGA/CPLD设计流程归纳为以下7个步骤，这与ASIC设计有相似之处。.设计输入。在传统设计中，设计人员是应用传统的原理图输入方法来开始设计的。自90年代初， Verilog、VHDL、AHDL等硬件描述语言的输入方法在大规模设计中得到了广泛应用。图2-1 文档编辑界面.前仿真（功能仿真）。设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。（ASCI设计中，这一步骤称为第一次Sign-off）PLD设计中，有时跳过这一步。图2-2 调试界面.设计编译。设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路设转化翻译过程，即把设计输入的某种或某几种数据格式(网表)转化为软件可识别的某种数据格式(网表)。.优化。对于上述综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合结果代替一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表，这是减小电路规模的一条必由之路。.布局布线。在PLD设计中，3-5步可以用PLD厂家提供的开发软件（如 Maxplus2）自动一次完成。图2-3 管脚分配界面(6).后仿真（时序仿真）。需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的时序。（ASCI设计中，这一步骤称为第二次Signoff）。.生产。布线和后仿真完成之后，就可以开始ASCI或PLD芯片的投产。3、VHDL编程环境Quartus II Altera QuartusII 设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程芯片系统(SOPC) 提供全面的设计环境。QuartusII 软件含有 FPGA 和