VHDL语言及其应用介绍

随着电子技术的发展，数字系统的设计正朝高速度、大容量、小体积的方向发展，传统的自 底而上的设计方法已难以适应形势。EDA(Electronic Design Automation)技术 的应运而生，使传统的电子系统设计发生了根本的变革。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言VHDL(Very High Speed Integrated Circui t Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段自顶而下地逐层完成相应的描述 、综合、优化、仿真与验证，直至生成器件。VHDL语言是目前应用于数字系统仿真最为实 用的语言之一。

　　1VHDL特点

　　VHDL语言最早由美国国防部提出。用VHDL语言进行数字逻辑电路和数字系统的设计，是电子电路设计方法上的一次革命性变革。与传统设计方法相比，VHDL描述电路行为的算法有很多优点：

　　(1) 设计层次较高、用于较复杂的计算时，能尽早发现存在的问题，缩短设计周期。

　　(2) 独立实现，修改方便，系统硬件描述能力强。

　　(3) 可读性好，有利于交流，适合于文档保存。

　　(4) VHDL语言标准、规范、移植性强。

　　(5) VHDL类型众多而且支持用户自定义类型，支持自顶而下的设计方法和多种电路的设计。

　　2 数字系统的设计流程

　　VHDL按要求对系统进行描述，然后综合、仿真、适配，当确认设计符合要求时，再将设计映 射至实际的逻辑器件中，设计流程如图1所示。

　　VHDL语言已日益成为一种通用的硬件设计交换媒介，计算机辅助工程软件的供应商已把VHDL作为其CAD或EDA软件输入与输出的标准。其中ALTERA公司提供了一套十分有特色的综合工具MAX+PLUSⅡ，他提供了全面的逻辑设计能力，从编辑、综合、布线到仿真、下载一气呵成，十分方便。

　3 设计实例及仿真结果

　　3.1 设计实例

　　以交通信号灯主控制电路的设计为例，应用MAX+PLUSⅡ软件平台，来说明VHDL语言在EDA仿真中的应用。设有一个主干道与支干道的交叉路口，每边都设有红、黄、绿信号灯，设计一 个控制器优先保证主干道的畅通。该设计实例的基本功能描述为：

　　(1)平时处于“主干道绿灯，支道红灯”状态，只有在支道有车辆要穿行主干道时，才将交通灯切向“主干道红灯，支道绿灯”。

　　(2)一旦支道无车辆通过路口，交通灯又回到“主干道绿灯，支道红灯”的状态。

　　(3)主干道和支干道每次通行的时间不得短于30 s，在两个状态交换过程出现 “主黄，支红”和“主红，支黄”状态，持续时间都是4 s。该功能描述的状态图如图2所示。

　　因为主干道和支干道各有3种灯(红、黄、绿)，他们在正常工作时，发亮的灯只有4种可能：

　　(1)主绿灯和支红灯亮——主干道通行。

　　(2)主黄灯和支红灯亮——主干道停车。

　　(3)主红灯和支绿灯亮——支干道通行。

　　(4)主红灯和支黄灯亮——支干道停车。

　　根据交通灯信号控制的要求，可把他分解为定时器和控制器两部分。CLK：时钟脉冲;SM ：主干道来车信号;SB：支干道来车信号;MR：主干道红灯;MY：主干道黄灯;MG：主干道 绿灯;BR：支干道红灯;BY：支干道黄灯;BG：支干道绿灯。主控制电路设计程序如下：

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3.2 仿真结果分析

　　利用MAX+PLUSⅡ对由VHDL编写的主控制电路程序进行编译和仿真，由分析知，主干道和支干道的控制灯正常工作时只有4种状态，而这4种状态完全取决于按键SM(主干道来车信号)和SB(支干道来车信号)，故本设计主控制电路的仿真结果共有4个，由于当SM和SB都是 低电平(为0)时，所有的指示灯都为低电平，即都不被点亮，故可分3种情况讨论仿真结果，由于篇幅所限，本文只给出主干道有车、支干道有车时的仿真结果。

　　当主、支干道都有车时，这种情况相对复杂，他体现了控制器的精华部分，为了把此时的仿真波形更加具体化，特分3张图来详细说明其工作过程，如图3所示。

　　由图3(a)知，控制器刚开始工作时，主干道绿灯、支干道红灯被点亮，控制器处于状态S1(本设计输出延迟0.5 s，符合要求)。由图3(b)分析知，当主、支干道都有车时，状态S1保持到第30 s后，开始转向状态S2，即主干道由黄灯转为绿灯亮并保持4 s，支干道红 灯持续亮并也保持4 s，4 s后，控制器开始向状态S3转变，主干道由黄灯亮转为红灯亮，支干道由 红灯亮转化为绿灯亮。由图3(a)和(b)知当主支干道都有车时前半阶段支干道的红灯被点 亮的时间等于主干道黄灯和绿灯的时间被点亮的时间(34 s)，符合前述的设计情况。

　　状态S3一直保持了30 s，即在第64 s时发生了变化，开始向状态S4转变，支干道由绿灯亮转 化为黄灯亮，主干道继续保持红灯亮4 s，4 s过后，也就是在第68 s时，控制器又由状态S4 转变为状态S1，主干道由红灯亮转化为绿灯亮，支干道由黄灯亮转变为红灯亮，完成了一个 周期的控制工作，由图3(c)知在一个周期的下半段主干道红灯亮的时间等于支干道黄灯和绿 灯被点亮的时间之和(34 s)，经分析知此程序完全实现了前述的控制要求。

　　4 结语

　　EDA技术彻底改变了数字系统的设计方法和实现手段，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL 和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将 给硬件设计领域带来巨大的改革。