VHDL語言及其應用介紹

隨著電子技術的發展，數字系統的設計正朝高速度、大容量、小體積的方向發展，傳統的自 底而上的設計方法已難以適應形勢。EDA(Electronic Design Automation)技術 的應運而生，使傳統的電子系統設計發生了根本的變革。EDA技術就是依賴功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言VHDL(Very High Speed Integrated Circui t Hardware Description Language)為系統邏輯描述手段自頂而下地逐層完成相應的描述 、綜合、優化、仿真與驗證，直至生成器件。VHDL語言是目前應用于數字系統仿真最為實 用的語言之一。

　　1VHDL特點

　　VHDL語言最早由美國國防部提出。用VHDL語言進行數字邏輯電路和數字系統的設計，是電子電路設計方法上的一次革命性變革。與傳統設計方法相比，VHDL描述電路行為的算法有很多優點：

　　(1) 設計層次較高、用于較復雜的計算時，能盡早發現存在的問題，縮短設計周期。

　　(2) 獨立實現，修改方便，系統硬件描述能力強。

　　(3) 可讀性好，有利于交流，適合于文檔保存。

　　(4) VHDL語言標準、規范、移植性強。

　　(5) VHDL類型眾多而且支持用戶自定義類型，支持自頂而下的設計方法和多種電路的設計。

　　2 數字系統的設計流程

　　VHDL按要求對系統進行描述，然后綜合、仿真、適配，當確認設計符合要求時，再將設計映 射至實際的邏輯器件中，設計流程如圖1所示。

　　VHDL語言已日益成為一種通用的硬件設計交換媒介，計算機輔助工程軟件的供應商已把VHDL作為其CAD或EDA軟件輸入與輸出的標準。其中ALTERA公司提供了一套十分有特色的綜合工具MAX+PLUSⅡ，他提供了全面的邏輯設計能力，從編輯、綜合、布線到仿真、下載一氣呵成，十分方便。

　3 設計實例及仿真結果

　　3.1 設計實例

　　以交通信號燈主控制電路的設計為例，應用MAX+PLUSⅡ軟件平臺，來說明VHDL語言在EDA仿真中的應用。設有一個主干道與支干道的交叉路口，每邊都設有紅、黃、綠信號燈，設計一 個控制器優先保證主干道的暢通。該設計實例的基本功能描述為：

　　(1)平時處于“主干道綠燈，支道紅燈”狀態，只有在支道有車輛要穿行主干道時，才將交通燈切向“主干道紅燈，支道綠燈”。

　　(2)一旦支道無車輛通過路口，交通燈又回到“主干道綠燈，支道紅燈”的狀態。

　　(3)主干道和支干道每次通行的時間不得短于30 s，在兩個狀態交換過程出現 “主黃，支紅”和“主紅，支黃”狀態，持續時間都是4 s。該功能描述的狀態圖如圖2所示。

　　因為主干道和支干道各有3種燈(紅、黃、綠)，他們在正常工作時，發亮的燈只有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。

　　(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。

　　根據交通燈信號控制的要求，可把他分解為定時器和控制器兩部分。CLK：時鐘脈沖;SM ：主干道來車信號;SB：支干道來車信號;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。主控制電路設計程序如下：