HDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)探討

范成澳

（南京大學(xué)金陵學(xué)院 江蘇 南京 210000）

1 引言

當(dāng)前，伴隨科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，許多先進(jìn)技術(shù)得以呈現(xiàn)與應(yīng)用，其中，最具代表性的便是計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等；在這些技術(shù)的影響與驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字電路不管是在具體的設(shè)計(jì)理念上，還是與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方法上，都已經(jīng)有了比較明顯的改變。需指出的是，從起初的手工形式的設(shè)計(jì)方法，到現(xiàn)在的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）等，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度越發(fā)提升。可編程邏輯（PLD）器件與EDA技術(shù)的誕生，使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路發(fā)生改變，人們能夠借助芯片來(lái)獲得各種功能。而伴隨復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）/現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）的越發(fā)復(fù)雜，采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）對(duì)CPLD/FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)。針對(duì)EDA設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)而言，其不僅能為設(shè)計(jì)工作提供切實(shí)輔助，而且還能依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況及具體需要，提供各種實(shí)用價(jià)值高且類型多樣的自動(dòng)化工具，實(shí)現(xiàn)自電子CAD到EDA的成功突破。本文結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例（多功能數(shù)字鐘），就HDL在數(shù)字電路中的設(shè)計(jì)思路探討如下。

2 HDL語(yǔ)言的基本特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

采用形式化方法對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行描述，是EDA的核心技術(shù)之一。現(xiàn)階段，主要有兩種硬件描述語(yǔ)言（IEEE標(biāo)準(zhǔn)），其一為Verilog HDL，其二是VHDL，但對(duì)于這兩種比較典型的語(yǔ)言來(lái)分析，其均有各自的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，許多在行業(yè)內(nèi)具有代表性的EDA供應(yīng)商，把Verilog以及VHDL當(dāng)作EDA軟件完成輸入或者輸出操作的基本標(biāo)準(zhǔn)，其中最具代表性的公司有Cadence、Synopsys公司等。但需說(shuō)明的是，對(duì)于Verilog HDL來(lái)分析，由于其實(shí)為一種比較基礎(chǔ)性的硬件描述語(yǔ)言（其發(fā)展根基為C語(yǔ)言），易學(xué)易用為其最大特點(diǎn)。比如在比較短的時(shí)間內(nèi)，便能掌握C語(yǔ)言的編程經(jīng)驗(yàn)[1-2]。

Verilog HDL又被稱作module的模塊構(gòu)成。針對(duì)定義模塊來(lái)考量，其起始點(diǎn)為關(guān)鍵詞module，止于endmodule，另外，在各條語(yǔ)句之間，都會(huì)用分號(hào)“；”將其隔開(kāi)。比如可以用8位寄存器對(duì)Verilog HDL語(yǔ)言的機(jī)構(gòu)加以說(shuō)明，見(jiàn)圖1。

圖1 Verilog HDL語(yǔ)言的機(jī)構(gòu)

從中得知，一個(gè)完整的模塊由五個(gè)部分組成，分別為描述體部、模塊定義行、數(shù)據(jù)類型說(shuō)明、端口類型說(shuō)明與結(jié)束行。

3 利用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字鐘的基本功能要求分析

能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況及相關(guān)需要，將相關(guān)數(shù)字顯示出來(lái)，比如“秒”、“分”及“時(shí)”等，此外，其還有其它功能，比如能做到正點(diǎn)報(bào)時(shí)以及準(zhǔn)確校時(shí)等。（1）計(jì)時(shí)功能。所采取的進(jìn)制方式比較常規(guī)。（2）校時(shí)功能。通常情況下，會(huì)借助手動(dòng)方式來(lái)對(duì)時(shí)、分、秒等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)節(jié)，借此實(shí)現(xiàn)校時(shí)工作的快速化完成。（3）整點(diǎn)報(bào)時(shí)。針對(duì)數(shù)字鐘而言，如果其中正好是準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)，可以及時(shí)且準(zhǔn)確保濕，并有四短一長(zhǎng)的報(bào)時(shí)音（即“嘀嘀嘀嘀-嘟”）。

3.2 用HDL語(yǔ)言對(duì)數(shù)字鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)

采用HDL語(yǔ)言展開(kāi)硬件描述，并選用EDA開(kāi)發(fā)工具（由Altera公司所開(kāi)發(fā)）MAX+ PLUSⅡ；圍繞CPLD/FPGA，對(duì)其實(shí)施開(kāi)發(fā)的基本流程為：首先需要輸入文本→進(jìn)行有目的性的設(shè)計(jì)處理→進(jìn)行全面的模擬仿真→最后進(jìn)行編程下載[3]。借助HDL語(yǔ)言，將一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)整個(gè)設(shè)計(jì)工作予以完成，在實(shí)際操作當(dāng)中，市場(chǎng)會(huì)把此系統(tǒng)當(dāng)作是一組完成模塊來(lái)予以描述與分析。因數(shù)字鐘有著并不復(fù)雜的功能，因此，單用一個(gè)模塊便可滿足現(xiàn)實(shí)需要。（2）設(shè)計(jì)處理。運(yùn)用編譯器（MAX+ PLUSⅡ軟件），完成整個(gè)項(xiàng)目的全部設(shè)計(jì)工作，比持續(xù)優(yōu)化、編譯、適配等。但在實(shí)際工作當(dāng)中，從設(shè)計(jì)者的角度來(lái)考量，僅需根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理化、有效性設(shè)置，便可以實(shí)現(xiàn)有效控制或規(guī)范化處理的目的。（3）模擬仿真。把文件以一種合理、妥當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)入至HDL仿真軟件中，然后根據(jù)具體需要，進(jìn)行全面且深入的功能仿真分析，對(duì)邏輯功能正確與否進(jìn)行嚴(yán)格檢查，如果是比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可將此步驟跳過(guò)。（4）編程下載。在編譯過(guò)程中，借助MAX+PLUSⅡ軟件自動(dòng)生成編程文件，通過(guò)電纜實(shí)施器件的編程下載。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，HDL語(yǔ)言與C語(yǔ)言相似，相比于其它硬件描述語(yǔ)言，掌握此語(yǔ)言更為容易。因此，可將HDL語(yǔ)言當(dāng)作切入點(diǎn)，對(duì)EDA技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，用HDL硬件語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行整個(gè)電子電路的設(shè)計(jì)工作，其主要特點(diǎn)就是把軟件工具當(dāng)作整個(gè)操作的重心所在；當(dāng)成功設(shè)計(jì)出源文件后，分別經(jīng)文本輸入、模擬仿真等操作，生成目標(biāo)器件，最終達(dá)到自動(dòng)化設(shè)計(jì)電子電路的目的。