基于EDA的數(shù)字電路設(shè)計(jì)之計(jì)數(shù)電路控制信號(hào)

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)字化和集成化成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)已經(jīng)逐漸成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方向和潮流，傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)沒(méi)計(jì)方法已經(jīng)逐漸被淘汰。作為電子工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)、掌握相關(guān)知識(shí)和技術(shù)已勢(shì)在必行。EDA就是利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)電子電路和系統(tǒng)的軟件工具，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可靠性。減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。它的實(shí)現(xiàn)是與可編程邏輯器件CPLD/FPGA（ComplexPro—grammableLogicDevice/FieldProgrammableGateArray）技術(shù)的迅速發(fā)展息息相關(guān)的。這一類器件可以通過(guò)軟件編程對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，打破了軟硬件之間的屏障。美國(guó)Altera公司推出的發(fā)展較完善的MAX+Plush軟件就是用于開(kāi)發(fā)CPLD的EDA軟件工具，它界面友好。易學(xué)易用并具無(wú)可比擬的靈活性和高效性。

1. MAX+Plusll軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

設(shè)計(jì)CPLD時(shí)可以利用Altera公司提供的免費(fèi)基本版MAX+PlusIll0。2軟件實(shí)現(xiàn)。

MAX+Plush軟件的設(shè)計(jì)流程分四步。即設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)編譯、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程。

①設(shè)計(jì)輸入。MAX+Plush軟件的設(shè)計(jì)輸入的方法有多種，主要包括：

原理圖輸入方式：這種輸入方式多用于不太復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于我們的頻率計(jì)設(shè)計(jì)就可以采用。因?yàn)橛么朔绞讲坏奖阋埠苤庇^。

文本設(shè)計(jì)輸入方式：文本設(shè)計(jì)文件可以使用AHDL語(yǔ)言、VHDL語(yǔ)言、VerilogHDL語(yǔ)言。三種都是硬件描述語(yǔ)言，每種都有其各自的特點(diǎn)。

波形輸入方式：設(shè)計(jì)者根據(jù)建立的輸入，輸出波形生成邏輯關(guān)系，本設(shè)計(jì)將不使用這種輸入方式，但可以利用波形關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

②設(shè)計(jì)編譯。MAX+P1usII提供了一個(gè)全集成編譯器，編譯過(guò)程經(jīng)歷網(wǎng)表提取，數(shù)據(jù)庫(kù)建立，邏輯綜合，資源分配，適配，時(shí)序仿真網(wǎng)表文件提取，裝配等環(huán)節(jié)。生成一系列標(biāo)準(zhǔn)文件，若在其中某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，編譯器會(huì)停止編譯，告訴你錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置及原因。

③設(shè)計(jì)驗(yàn)征。MAX+Plush還有時(shí)序分析，功能仿真，輸入輸出波形分析等功能，以幫助驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

④器件編程。對(duì)設(shè)計(jì)文件編譯。仿真后，將設(shè)計(jì)的項(xiàng)目下載（或稱為配置）到所選器件上的過(guò)程。

2. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)

PLD設(shè)計(jì)中，原理圖輸入比較直觀。效率高，但設(shè)計(jì)大規(guī)模CPLD時(shí)顯得很繁瑣。當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模CPLD設(shè)計(jì)時(shí)通常選擇文本輸入方式。如前所述，文本輸入有AHDL、VHDL、VerilogHDL三種語(yǔ)言，我們選擇其中VHDL語(yǔ)言簡(jiǎn)單介紹給大家。VHDL語(yǔ)言硬件描述能力很強(qiáng)。同樣是基于英語(yǔ)的一種編程語(yǔ)言。類似其他高級(jí)編程語(yǔ)言。只要有一定英語(yǔ)知識(shí)，就會(huì)很容易掌握并理解VHDL語(yǔ)言的描述。

（1）電路功能描述

利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路。原理框圖如圖1所示，該電路用于計(jì)數(shù)電路之前的控制信號(hào)產(chǎn)生，功能要求是對(duì)外部電路產(chǎn)生送入的clk（8Hz）信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出信號(hào)送入控制電路周期性地產(chǎn)生3個(gè)信號(hào)控制后級(jí)計(jì)數(shù)電路，這三個(gè)信號(hào)分別是：

①閘門信號(hào)CS，也稱計(jì)數(shù)控制信號(hào)：控制計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)和?停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)控CS的高電平部分正好是1秒，CS的低電平部分是計(jì)數(shù)模塊停止計(jì)數(shù)時(shí)間。

②鎖存信號(hào)lock：當(dāng)計(jì)數(shù)模塊在1秒時(shí)間計(jì)數(shù)結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)送數(shù)信號(hào)，即把計(jì)數(shù)信號(hào)送進(jìn)鎖存器，高電平有效。

③清零信號(hào)clr：在每次計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始計(jì)數(shù)前，清除模塊內(nèi)原先的計(jì)數(shù)值，使其為零，同樣是高電平有效。

圖l 電路原理框圖

（2）電路設(shè)計(jì)

利用MAX+PIusII軟件環(huán)境下建立VHDL語(yǔ)言輸入文件設(shè)計(jì)控制信號(hào)產(chǎn)生電路，輸入源程序如下：

①十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路

單元電路設(shè)計(jì)完成后，建立相應(yīng)電路符號(hào)，在原理圖輸人方式下，將各單元電路符號(hào)按圖1所示電路原理框圖邏輯關(guān)系連接，通過(guò)保存、編譯，確認(rèn)正確無(wú)誤后可以說(shuō)完成了CPLD內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)。

邏輯功能仿真：創(chuàng)建波形編輯文件，保存為*.scf，得到仿真結(jié)果如圖2。

經(jīng)過(guò)器件選擇，管腳鎖定，編程下載等工作即可將設(shè)計(jì)項(xiàng)目下載至芯片，完成數(shù)字電路功能。

圖2 電路的仿真結(jié)果

3. 結(jié)束語(yǔ)

顯然，比起用卡諾圖化簡(jiǎn)再用相應(yīng)集成片連線搭接電路。利用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字電路更為靈活方便，設(shè)計(jì)周期也大大減小。本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)總體功能出發(fā)分解出相應(yīng)基本邏輯模塊條理清晰，修改起來(lái)也更方便，可以說(shuō)，EDA技術(shù)改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)觀念，必將成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。