VHDL語言在數字電路教學改革中的應用

柴志成 羅俊寧

【摘要】隨著大規模集成電路的廣泛應用，實用性和創新性欠缺的傳統數字電路教學模式，已不再適應現代應用型人才的培養。本文提出了將VHDL描述語言融入數字電路教學中的改革方案，即通過具體實例說明，VHDL語言能在豐富教學內容的同時，降低電路設計難度，提高學生學習興趣及設計能力，從而改進教學效果。

【關鍵詞】數字電路;VHDL;教學改革;設計方法

1.引言

數字電路是理工科中的電類專業和計算機專業必修的專業基礎課程，也是信息類各專業的平臺課程。該課程在介紹有關數字系統基本知識、基本理論、基本電路的基礎上，重點討論數字系統中各種邏輯電路分析與設計的基本方法，以及該領域的發展現狀及最新的技術。設置該課程的主要目的是為了讓學生了解各種基本邏輯電路，能熟練地運用有關知識和理論對各類邏輯電路進行分析設計。目前， 大多數高等院校仍是采用傳統的數字電路教學模式， 以教材為中心，過于強調基本原理、公式的推導以及波形的分析，往往讓學生覺得抽象，不能夠很好地理解電路、集成芯片的功能及應用。而實驗環節主要在實驗箱上完成，開設的是一些驗證性的實驗，對各實驗項目的電路設計以手工為主，一般遵循自底向上的設計方法，從電路的功能分析，真值表、表達式、邏輯電路圖到器件的選擇、連線、測試等，學生的認識僅僅停留在局部小部件上，復雜的系統設計思想受到限制。在數字電子技術飛速發展的今天，大規模以及超大規模集成電路的廣泛應用，這種缺乏實用性和創新性的傳統教學模式，已不再適應現代應用型人才的培養。因此，教學需要融入新技術 、突破傳統教學模式，引入VHDL語言的數字電路教學改革就成為一個重要的研究課題。

2.VHDL語言及其特點

超高速集成電路硬件描述語言（VHDL） 是一種用于數字電路設計的高級語言，是被IEEE和美國國防部確認為標準的硬件描述語言，其主要用于描述數字電路的結構，行為，功能和接口。基于這種描述結合相關的軟件工具，可以得到所期望的實際數字電路。利用VHDL語言進行電路設計具有以下幾個特點：

（1）VHDL可用于設計復雜的、多層次的設計，并且支持設計庫和設計的重復使用;

（2）與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的行為描述能力;

（3）VHDL有豐富的仿真語句和庫函數，使其在設計的早期就能查驗設計系統的功能可行性，借助于相關仿真器隨時可對設計進行仿真模擬;

（4）對于VHDL完成的一個確定的設計，一般可進行邏輯綜合和優化，并能自動的把VHDL描述設計轉變成門級網表;

（5）VHDL語言支持電路描述由高層向低層的綜合變換，便于文檔管理，易于理解和設計的再利用;

（6）VHDL對于設計的描述具有相對獨立性，設計者可以不懂硬件的結構，最終實現的目標器件設計。

3.VHDL語言較傳統設計方法的優點

通過上述特點，我們了解到VHDL語言功能強大、設計靈活、容易掌握。將VHDL語言引入數字電路教學中，有利于增強學生對電路設計的認識，掌握更多的設計方法，提高分析設計能力。本文針對六進制約翰遜計數器的設計，分別采用了傳統設計方法和VHDL方法進行設計，通過對比可得出，VHDL可以顯著提升數字電路的教學效果。

3.1 傳統設計方法

傳統電路設計采用自底向上的設計方法如圖1所示。本文選用JK、D觸發器及門電路來實現，采用3個觸發器連接產生8個狀態，六進制約翰遜計數器只有6個狀態，將其中的010，011兩個狀態禁止掉，具體狀態轉換表如表1所示。

圖1 自底向上設計方法

表1 狀態轉換表

CLK Q2n'Q1n'Q0n Q2n+1'Q1n+1'Q0n+1

1 0..0..0 0...0...1

2 0..0..1 0...1...1

3 0..1..1 1...1...1

4 1..1..1 1...1...0

5 1..1..0 1...0...0

6 1..0..0 0...0...0

由狀態轉換表得出狀態方程：

，，

將Q2，Q1選用D觸發器，Q0選用JK觸發器，得出驅動方程：

，，，

根據驅動方程最終畫出邏輯原理圖如圖2所示。

圖2 邏輯原理圖

在得到邏輯原路圖后，還需要進行邏輯驗證，驗證無誤后再對邏輯原理圖進行邏輯驗證無誤后，在PCB版上完成布線、裝配、焊接及調試，如有問題，再進行局部修改，直至整個電路調試完畢為止。

圖3 自頂向下設計方法

3.2 VHDL設計方法

VHDL設計采用自頂向下的設計方法如圖3所示。首先根據設計要求對電路功能進行行為級描述和仿真，然后再進行RTL級描述和仿真，達到預期結果后再進行邏輯綜合、布局布線，最終完成電路設計。

（1）行為描述，也就是對計數器數學模型的描述，通過代碼描述出輸入、輸出引腳和計數過程中狀態變化時序及關系，具體程序如下：

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.all;

entity counter6 is

port（clk，reset：in std_logic;

count_out：out std_logic_vector（2 downto 0））;

end counter6;

architecture rtl Of counter6 is

signal next_count：std_logic_vector（2 downto 0）;

begin count_proc：process（clk，reset）

begin if reset='0' then

next_count<="000";

elsif clk'event and clk='1' then

case next_count is

when "000"=>next_count<="001";

when "001"=>next_count<="011";

when "011"=>next_count<="111";

when "111"=>next_count<="110";

when "110"=>next_count<="100";

when "100"=>next_count<="000";

when others=>next_count<="000";

end case;

end if;

count_out<=next_count;

end process;

end rtl;

利用Max+plusⅡ軟件對上述程序進行編譯、仿真，仿真結果如圖4所示，結果表明，該方案符合設計要求。

圖4 仿真結果

（2）RTL描述，即用具體門電路、運算器等來描述行為部分。行為描述程序抽象程度較高，故需轉化為RTL方式描述的VDHL程序，以便于映射到具體的邏輯元件，得到硬件的具體實現。對于改寫后的RTL程序同樣需要進行仿真，檢查正確性。

（3）邏輯綜合，利用MAX+PLUS II Advanced Synthsis ALtera將其轉換為門級網絡表，輸出邏輯原理圖并進行仿真、檢查定時關系。最后根據需要利用門級網表做出ASIC芯片或生成FPGA碼點，完成電路設計。

3.3 VHDL與傳統設計方法比較

相較于傳統設計方法，VHDL采用自頂向下的設計方法，可進行結構化、模塊化設計，更利于分工合作，再加上各層次的仿真檢查，便于早期發現錯誤并改正，提高了設計效率;同時設計描述的相對獨立性，使得學生設計時不必寫表達式、真值表，不必考慮所用器件，降低了設計難度;另外VHDL語言簡單易學，MAX+PLUS II界面友好，通過仿真波形分析，學生能更形象、更深刻的理解所學內容。

4.結束語

數字電路作為專業基礎課程，其教學效果的好壞，將直接影響后續相關專業課程的學習。在數字電路教學中引入VHDL描述語言，利用MAX+PLUS II進行編譯、仿真、演示，不但豐富了教學內容，改進了教學手段，提高學習興趣，還有助于學生消除“抽象感”;另外VHDL能將傳統教學中較難實現的電路設計轉換為軟件設計，不僅簡化了設計工作，還有利于增強學生對集成芯片的認識，提高分析設計能力，掌握更多的設計方法，以適應現代應用型人才培養要求。

參考文獻

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作者簡介：柴志成（1982—），男，湖北浠水人，碩士，貴陽學院數學與信息科學學院講師。