VHDL設計中電路簡化問題的探討

　　近年來，隨著集成電路技術的發(fā)展，用傳統(tǒng)的方法進行芯片或系統(tǒng)設計已不能滿足要求，迫切需要提高設計效率。在這樣的技術背景下，能大大降低設計難度的VHDL設計方法正越來越廣泛地被采用。但是VHDL設計是行為級的設計?熕?帶來的問題是設計者的設計思考與電路結構相脫節(jié)。設計者主要是根據VHDL的語法規(guī)則，行為進行描述，綜合工具進行電路結構的綜合、編譯、優(yōu)化，通過仿真工具進行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時延的仿真。實際設計過程中，由于每個工程師對語言規(guī)則、對電路行為的理解程度不同，每個人的編程風格不同，往往同樣的系統(tǒng)功能，描述的方式是不一樣的，綜合出來的電路結構更是大相徑庭。因此，即使最后綜合出的電路都能實現相同的邏輯功能，其電路的復雜程度和時延特性都會有很大的差別，甚至某些臃腫的電路還會產生難以預料的問題。從這個問題出發(fā)，我們就很有必要深入討論在VHDL設計中如何簡化電路結構，優(yōu)化電路設計的問題。

　　１描述方法對電路結構的影響

　　用VHDL進行設計，其最終綜合出的電路的復雜程度除取決于設計要求實現的功能的難度外，還受設計工程師對電路的描述方法和對設計的規(guī)劃水平的影響。最常見的使電路復雜化的原因之一是設計中存在許多本不必要的類似LATCH的結構。而且由于這些結構通常都由大量的觸發(fā)器組成，不僅使電路更復雜，工作速度降低，而且由于時序配合的原因而導致不可預料的結果。例如對于同一譯碼電路有不同VHDL描述：

　?。保篒FINDEX＝″00000″THEN

　　STEPSIZE＜＝″0000111″;??

　　WLSIFINDEX＝″00001″THEN

　　STEPSIZE＜＝″0001000″;??

　　LSIFINDEX＝″00010″THEN

　　STEPSIZE＜＝″0001001″;??

　　……

　　ELSE

　　STEPSIZE＜＝″0000000″;??

　　ENDIF；

　?。玻篠TEPSIZE＜＝″0000111″WHENINDEX＝″00000″ELSE

　　″0001000″WHENINDEX＝″00001″ELSE

　　″0001001″WHENINDEX＝″00010″ELSE

　　……

　　″0000000″;??

　　以上兩段程序描述了同一個譯碼電路。第二段程序由于WHEN......ELSE的語句不能生成鎖存器的結構且ELSE后一定要有結果，所以不會有問題，而第一個程序如果不加ELSESTEPSIZE〈＝“0000000”這句，則會生成一個含有７位寄存器的結構，雖然都能實現相同的譯碼功能。但是電路復雜度會大增。而由于每個工程師的寫作習慣不同，有的喜歡用IF....ELSE的語句，有的喜歡用WHEN....ELSE的方式，而用IF....ELSE時，如稍不注意，在描述不需要寄存器的電路時沒加ELSE，則會引起電路不必要的開銷。所以在VHDL設計中要慎用IF....ELSE這類能描述自身值代入的語句。

　?。苍O計規(guī)劃的優(yōu)劣直接影響電路結構

　　另一主要引起電路復雜化的原因是對設計規(guī)劃的不合理。雖然VHDL語言能從行為描述生成電路，但一個完整的設計一般來說都不可能由直接描述設計的目標功能來實現的?？傄言O計分成若干部分，每一部分再分別描述其行為。這就涉及到如何劃分功能模塊的問題，要求對設計了解的較深入，才能使劃分更有效，才能降低電路的復雜程度。例如我們設計一個時鐘源為1kHz，每32秒發(fā)出一組信號（共八組）的簡單的控制器來說。下面有兩種實現方法：

　?。ǎ保┯?5位的記數器實現把輸入1kHz的時鐘分頻為1／32Hz，然后用這個作為時鐘驅動一個3位的記數器，這個記數器的八個狀態(tài)分別通過一個3－8譯碼器發(fā)出所要求的信號。

　　18位的記數器把輸入的1kHz時鐘進行分頻，再利用記數器的八個相距32秒的狀態(tài)來推動一個12－8譯碼器來實現。

　　對于如此的設計要求，VHDL程序分別如下所示：

　?。保谝环N設計方法的VHDL源程序

　　process(clk,cclk,count2)??

　　begin

　　if??(clk＝＇1＇andclk＇event)then

　　count2＜＝count2＋1;??

　　if(count２＝″000000000000000″)then

　　cclk＜＝＇1＇;??

　　else

　　cclk＜＝＇0＇;??

　　endif;??

　　endif;??

　　endprocess;??

　　process(cclk,count３,ctemp)??

　　begin

　　if(cclk＝＇1＇andcclk＇event)then

　　count3＜＝count3＋1;??

　　if(count3＝″000″)the n