基于VHDL邏輯電路設(shè)計與應(yīng)用
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1、引言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201807/384180.htm電子產(chǎn)品隨著技術(shù)的進步，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。EDAI'輝lectronicDesignAutomatic)技術(shù)的應(yīng)用很好地適應(yīng)了這一特點。通過設(shè)計和編程，由可編程邏輯器件CPLD/FPGAn-構(gòu)成的數(shù)字電路，取代了常規(guī)的組合和時序邏輯電路，實現(xiàn)了單片化，使體積、重量、功耗減小，提高了可靠性。
目前EDA技術(shù)在一般的數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它將成為今后電子設(shè)計的主流。VHDL語言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語言描述能力強，覆蓋面廣，抽象能力強，應(yīng)用越來越廣泛。VHDL語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級電路，其高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用;設(shè)計者可以實現(xiàn)從文本編輯、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時序仿真到編程下載整個開發(fā)過程，大大減輕了設(shè)計人員的工作強度，提高了設(shè)計質(zhì)量，減少了出錯的機會。下面介紹如何在美國ALTERA公司的MAX+PLUSH平臺上應(yīng)用VHDL實現(xiàn)串行加法器。
2、串行加法器設(shè)計原理
多位串行加法器的工作原理閻是從最低位開始逐位相加并向高位進位，基于這個原理，采用移位加法實現(xiàn)串行加法器。設(shè)兩個無符號數(shù)A=a-tart...ao和B=b.-,b,^...bo，兩者相加產(chǎn)生的和SUM=S-lS-:...So，其工作原理如圖1所示，由三個移位寄存器和一個加法器有限狀態(tài)機組成，其中三個寄存器用來存放A,B和Sum數(shù)據(jù)。其工作原理是，假定輸人移位寄存器有并行加載功能，首先把A,B的值加載到寄存器，然后在每一個時鐘周期，通過加法器有限狀態(tài)機將相應(yīng)的一位相加，在時鐘周期的結(jié)尾處將這一位相加結(jié)果移到Sum寄存器。三個寄存器都采用同步正邊沿觸發(fā)器，所有變化都在時鐘正邊沿之后很快發(fā)生，這時三個寄存器的內(nèi)容都向右移，將已得到的和位移到Sum，并把兩個加數(shù)寄存器的下一個位a與b:送給加法器有限狀態(tài)機。
加法器有限狀態(tài)機的工作原理:由兩個狀態(tài)M和N分別表示進位值0和10狀態(tài)圖如圖2所示，采用有限狀態(tài)機的Mealy模型。由于每一位相加，都是由全加器構(gòu)成的，因此根據(jù)狀態(tài)圖可寫出次態(tài)全加器的邏輯表達(dá)式:
Y=ab+ay+by
s=a+b+y
其中y為進位輸人，a和b為兩個輸人數(shù)據(jù)，Y為進位輸出，s為全加器的和。串行加法器可以實現(xiàn)任意位數(shù)據(jù)加法的簡單電路。
3、基于VHDL串行加法器的實現(xiàn)
串行加法器的VHDL描述由移位寄存器和加法器有限狀態(tài)機組成?？梢园岩莆患拇嫫髯鳛橐粋€子電路，在主程序中可以多次調(diào)用。
3.1移位寄存器實現(xiàn)
下面是4位移位寄存器的VHDL代碼，采用FOR LOOP結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，源程序如下:
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD-LOGIC-1164.ALL;
ENTITYshiftIS GENERIC(n:INTEGER:=4);
PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0);
1,e,w:INSTD-LOGIC;
clk:INSTD_LOGIC;
q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));
ENDshift;
ARCHITECTUREbehaOFshiftIS
BEGIN
PROCESS
BEGIN
WATTUNTILclk'EVENTANDclk='1';
IFe='1'THEN
IF1='l'THEN
q=r,
ELSE
gebit:FORiIN0TOn-2LOOP
q(i)=q(i+l);
END LOOP;
q(n-1)=w;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbeha;
若要實現(xiàn)更多位移位寄存器，則只要修改n值即可。程序中r是輸人信號，clk是時鐘信號，e是使能端。當(dāng)1='1’時對移位寄存器并行加載，卜'0’時，寄存器處于右移狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)從輸人端w移人寄存器的最高位。仿真結(jié)果如圖3所示。
3.2串行加法器的VHDL設(shè)計
八位串行加法器VHDL代碼如下:
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STDLOGIC-1164.ALL;
ENTITY adderIS
GENERIC(length:INTEGER:=8);
PORT(erset:INSTDLOGIC;
clk:INSTD-LOGIC;
a,b:INSTD-LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);
co:outSTD-LOGIC;
sum:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(length一1DOWNTO0));
ENDadder;
ARCHITECTUREbehaOFadderIS COMPONENTshift
GENERIC(n:INTEGER:=4);
PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO1,e,w:INSTD-LOGIC;
elk:INSTD-LOGIC;
q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));
ENDCOMPONENT;
SIGNALga,gb,null-in:STD_LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);
SIGNALs,low,high,run:STD-LOGIC;
SIGNALcount:INTEGERRANGE0TOlength;
TYPEstate-typeIS(M,N);
SIGNALy:state-type;
BEGIN
low='0';
high二，1';
shiftA:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(a,erset,high,low,clk,ga);
shiftB:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(b,reset,high,low,clk,gb);
adderFSM:PROCESS(erset,clk)BEGIN
IFerset='l'THEN
y=M;
ELSIFelk'EVENTANDclk='1'THEN
CASEyIS
WHENM=>IF(qa(0)，1'ANDqb(0)='1')THENy=N;
ELSE
y=M;
ENDIF;
WHENN=>
IF(ga(0)='0'ANDqb(0)='0')THENy-M;
ELSE
y=N;
ENDIF;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESSadderFSM;
WITHySELECT
s-ga(0)XORqb(0)WHENM,
NOT(ga(0)XORqb(0))WHENN;
Null_in二(OTHERS=>'0');
shiftsum:shiftGENERICMAP(n=>length)
PORTMAP(nulin,erset,run,s,clk,sum);
stop:PROCESS
BEGIN
WAITUNTIL(elk'EVENTANDclk='1');
IFerset='1'THEN
count=length;
E,ISIFrun='l'THEN
count=count-1;
ENDIF;
ENDPROCESS;
run='0'WHENcount-OELSE'1';
co一out:PROCESS
BEGIN
WAITUNTIL(clk-EVENTANDclk='1');
IFy=MTHEN
co=，0';
EISE
co=，1';
ENDIF;
ENDPROCESScoout;
ENDbeha;
程序中采用三個進程描述:adderFSM進程描述加法器有限狀態(tài)機;stop進程描述減法計數(shù)器，用來決定加法器什么時候由于n位所要求的和出現(xiàn)在輸出移位寄存器而停止;co-out描述進位co輸出。
程序經(jīng)Max+PlusII中的Compiler編譯，再通過Simulator和Timinganalyzer工具分別進行功能仿真和時序仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，其中reset是輸人控制端，clk是時鐘信號,a和b是輸人數(shù)據(jù)，sum是和數(shù)，co是進位，y表示有限狀態(tài)機的狀態(tài)。仿真正確后，可通過計算機并口上的Byteblaster下載電纜將生成的配置文件直接下載到芯片MAXEPM7128SLC84-15進行驗證，測試結(jié)果與實際相符。
4、結(jié)束語
本文通過串行加法器VHDL設(shè)計表明，VHDL在邏輯電路的設(shè)計中具有以下優(yōu)點:
(1)VHDL語言硬件描述能力強、設(shè)計方法靈活;(2)設(shè)計者只需掌握VHDL語言及相關(guān)EDA設(shè)計軟件的使用，而不需考慮較多的硬件結(jié)構(gòu)就可以設(shè)計所需要的數(shù)字系統(tǒng);(3)隨時可對設(shè)計內(nèi)容進行仿真，查驗系統(tǒng)功能;(4)程序可移植性強、易于修改;因此，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，作為當(dāng)代電子設(shè)計人員，HDL已成為設(shè)計數(shù)字硬件時常用的一種重要手段。
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