余麗紅，龍諾春，林春景，柳貴東

(廣東白云學院 電氣與信息工程學院，廣東 廣州 510450)

0 引言

超高速集成電路硬件描述語言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL)是電子產(chǎn)品設計的三大語言之一，其語法非常嚴格，是我國電子設計自動化硬件描述語言的國家統(tǒng)一標準[1]。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將設計實體包括元件、電路模塊或電路系統(tǒng)分成外部端口和內(nèi)部實體。VHDL用簡單的源代碼來描述復雜的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，采用分層設計、頂層統(tǒng)一的描述方法。在完成外部端口的定義和內(nèi)部實體的開發(fā)后，就可以生成能被其他系統(tǒng)設計反復利用的模塊，供電路設計人員共享，避免重復設計，提高設計效率。

1 VHDL模塊化的設計方法

VHDL模塊化的設計方法是借助庫。庫一般分為IEEE、WORK、STD、ASIC和用戶自定庫5種。庫被用來存放預先編譯好的程序代碼數(shù)據(jù)，包括程序包集合定義、配置定義、實體定義和結(jié)構(gòu)體定義。庫的優(yōu)勢在于方便設計者共用已經(jīng)編譯通過的設計成果。設計者在設計電子產(chǎn)品的過程中，首先要明確電子系統(tǒng)的整體功能，并將大的功能模塊劃分為小的功能模塊，功能模塊進一步細分為功能子模塊。子模塊的設計用一個VHDL程序?qū)崿F(xiàn)。VHDL自頂向下[2]的硬件模塊化設計流程如圖1所示。

圖1 VHDL模塊化設計流程

2 交通燈控制器的設計

2.1 設計思路

交通燈控制器綜合了組合電路與時序電路，主要用來模擬交通路口紅黃綠燈變化和倒計時的過程。交通控制器主要包括：時鐘分頻、紅黃綠狀態(tài)轉(zhuǎn)換、紅黃綠狀態(tài)譯碼、倒計時顯示譯碼模塊。設計過程中所用實驗設備的初始時鐘為20 MHz。利用分頻模塊將20 MHz的頻率轉(zhuǎn)換為1 Hz，對應時間為1 s。分頻模塊是通過計數(shù)器來實現(xiàn)，紅黃綠狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊用于控制交通燈的狀態(tài)依次為紅、黃、綠，重復循環(huán)，并控制3種狀態(tài)的倒計時時間。顯示譯碼模塊可以顯示交通燈的狀態(tài)和時間。狀態(tài)譯碼將3種狀態(tài)譯為段碼和位碼，其中，段碼用于顯示3種狀態(tài)倒計時的時間，位碼用于控制相應數(shù)碼管的亮滅。顯示模塊需要用3個LED燈和兩個數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描原理來完成兩個數(shù)碼管的顯示。每個時鐘周期內(nèi)掃描一個數(shù)碼管，顯示一位數(shù)據(jù)，顯示的數(shù)據(jù)值由段碼來控制，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要時鐘掃描>100 Hz，人眼觀測到的所有數(shù)碼管就是同時顯示的[3]。系統(tǒng)設計的模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計的模塊框

2.2 系統(tǒng)的VHDL語言描述

完整的VHDL程序一般包括5個部分：庫、程序包、配置、結(jié)構(gòu)體和實體。庫專門用于存儲預先編譯完成的實體、結(jié)構(gòu)體、程序包集合和配置。程序包用于存放各設計模能夠共享的常數(shù)、數(shù)據(jù)類型、子程序等基礎設計單元。配置用于把特定的結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)到一個確定的實體上，為一個大型系統(tǒng)的設計提供管理和工程組織[4]。實體用于參數(shù)定義和描述模塊的外部端口。結(jié)構(gòu)體是VHDL程序的主體部分，用于描述模塊的具體行為、結(jié)構(gòu)和功能。

2.2.1 時鐘分頻模塊

根據(jù)設計要求，分頻模塊的外部端口共有4個：初始時鐘輸入端口、復位控制輸入端口、122 Hz的動態(tài)掃描脈沖輸出端口以及1 Hz的計時脈沖輸出端口。分頻模塊實體的VHDL語言描述如下：

ENTITY SZFP IS

PORT(CLK，RST: IN STD_LOGIC;

CT1，CT2: OUT STD_LOGIC);

END SZFP;

端口說明語句中，CLK是輸入端口，表示初始時鐘信號；RST是輸入端口，代表復位信號；CT1、CT2為輸出端口，表示分頻以后的時鐘信號，分別為1 Hz，100 Hz。

2.2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊

狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊的外部端口共有5個：1 Hz計時脈沖輸入端口、復位控制輸入端口、紅黃綠狀態(tài)輸出端口、個位數(shù)據(jù)輸出端口和十位數(shù)據(jù)輸出端口。該模塊實體的VHDL語言描述如下：

ENTITY ZTZH IS

PORT(CLK，RST: IN STD_LOGIC;

STATE: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)

DL，DH:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));

END ZTZH;

其中，STATE表示狀態(tài)輸出信號；DL，DH代表輸出的倒計時數(shù)據(jù)。

2.2.3 狀態(tài)譯碼模塊

狀態(tài)譯碼模塊的外部端口共有兩個：紅黃綠狀態(tài)輸入端口和LED燈控制輸出端口。該模塊實體的VHDL語言描述如下：

ENTITY ZTYM IS

PORT(STATE: IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)

LIGHT: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0));

END ZTYM;

2.2.4 顯示譯碼模塊

顯示譯碼模塊的外部端口共有6個：122 Hz動態(tài)掃描脈沖輸入端口、復位控制輸入端口、十位數(shù)據(jù)輸入端口、個位數(shù)據(jù)輸入端口、控制數(shù)值的段碼和選擇芯片的位碼。該模塊實體的VHDL語言描述如下：

ENTITY XSYM IS

PORT(CLK，RST:IN STD_LOGIC;

DL，DH:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

DT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

EN:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0));

END XSYM;

2.2.5 頂層系統(tǒng)模塊

頂層系統(tǒng)模塊將時鐘分頻、計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換、譯碼、顯示4個分模塊整合在一起。在VHDL程序中利用元件例化語句來建立頂層模塊與子模塊之間的連接關(guān)系。元件例化語句由元件聲明語句和元件例化語句[5]兩部分組成。元件聲明(component)是對頂層要調(diào)用的較低層次的實體進行端口說明，相當于完成底層元件的封裝。元件例化(port map)是在調(diào)用較低層次的實體時建立起端口之間的一一對應關(guān)系。設計最終借助元件例化實現(xiàn)交通燈控制器的功能。頂層模塊設計實體共有5個端口：20 MHz初始時鐘輸入、復位控制輸入、LED燈控制輸出端口，段碼輸出和位碼輸出，相對應的VHDL語言描述如下：

ENTITY JTD IS

PORT(CLK，RST:IN STD_LOGIC;

DT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

LIGHT: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0));

EN:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0));

END JTD;

元件例化語句如下：

U0：SZFP PORT MAP(CLK,RST,CT1,CT2);

U1：ZTZH PORT MAP(CT1,RST,STATE，DL,DH);

U2：ZTYM PORT MAP(STATE,LIGHT);

U3：XSYM PORT MAP(CT2,RST,DL,DH,DT,EN);

其中，DL、DH、CT1、CT2為內(nèi)部信號。

3 交通燈控制器的硬件實現(xiàn)

交通燈控制器的硬件實現(xiàn)選用Altera公司的MAX+PLUSⅡ軟件。硬件實現(xiàn)之前先完成4個模塊的時序仿真，接下來完成頂層模塊的時序仿真，然后在目標芯片上進行管腳分配，連接好對應引腳后就可以進行程序下載和硬件實現(xiàn)。本設計的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 交通燈控制器

4 結(jié)語

VHDL語言對于初學者來講是比較難掌握的，文章根據(jù)多年的教學經(jīng)驗設計交通燈控制器的程序，用以幫助學生掌握自上而下的模塊化程序設計思想，讓學生對VHDL語言中的順序語句、并行語句(特別是進程語句)有更深刻的理解。