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：