【文章內容簡介】 成的整體發(fā)生質的飛躍，是一種更高層次的循環(huán) ，如果說MCU在邏輯的實現(xiàn)上是無限的話，那么 CPLD/FPGA 不但包括了 MCU 這一特點 且可觸及硅片電路線度的物理極限 并兼有串并行工作方式 高速 高可靠性以及寬口徑實用性等多方面的特點，不僅如此，隨著EDA技術的發(fā)展和FPGA 在深亞微米領域的進軍。它們與MCU MPU DSP A/D D/A RAM和ROM 等獨立器件間的物理與功能界限已日趨模糊 特別是軟/硬 IP 芯核 Intelligence Property 產業(yè)的迅猛發(fā)展 嵌人式通用及標準 FPGA 器件很快就會出現(xiàn)片上系統(tǒng) SOC 也已近在咫尺 CPLD/FPGA以其不可替代的地位及伴隨而來的極具知識經濟特征的IP 芯核產業(yè)的崛起 正越來越受到電子技術工程師的密切關注 EDA 打破了軟硬件之間最后的屏障 使軟硬件工程師們有了真正的共同語言 使目前一切仍處于計算機輔助性設計 CAD 和規(guī)劃的電子設計活動產生了實在的設計實體 電子設計專家指出 基于EDA的CPLD/FPGA的應用和技術推廣是我國未來電子設計技術發(fā)展的主流 而基于 EDA 的 IP 芯核產業(yè)的推動應是我國在新世紀知識經濟發(fā)展的重要切入點之一[12]。 無論怎樣的問題和障礙，F(xiàn)PGA的應用熱潮正逐步形成隨著FPGA 集成水平的進一步提高芯核產業(yè)的進一步擴大，可以相信用不了多久大部分的電子設計領域 MCU 、MPU、 DSP或AD/A 和 RAM 等必將以各種軟硬核的形式FPGA 實現(xiàn)真正的單片系統(tǒng)。3 基于FPGA設計的硬件描述語言VHDL VHDL語言簡介 目前數(shù)字系統(tǒng)的設計可以直接面向用戶需求 ,根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求 ,自上而下地逐層完成相應的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗證 ,直到生成器件 ,實現(xiàn)電子設計自動化。其中電子設計自動化EDA (即Electronic Design Automation)的關鍵技術之一就是可以用硬件描述語言(HDL)來描述硬件電路。VHDL(VHSIC Hardware Description Language)是用來描述從抽象到具體級別硬件的工業(yè)標準語言 ,它是由美國國防部在 20 世紀 80 年代開發(fā)的 HDL ,現(xiàn)在已成為 IEEE承認的標準硬件描述語言。VHDL 支持硬件的設計、驗證、綜合和測試 ,以及硬件設計數(shù)據(jù)的交換、維護、修改和硬件的實現(xiàn) ,具有描述能力強、生命周期長、支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用等優(yōu)點[13]。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結構、行為和功能 ,其程序結構特點是將一個電路模塊或一個系統(tǒng)分成端口和內部功能算法實現(xiàn)兩部分。對于一個電路模塊或者數(shù)字系統(tǒng)而言 ,定義了外部端口后 ,一旦內部功能算法完成后 ,其他系統(tǒng)可以直接依據(jù)外部端口調用該電路模塊或數(shù)字系統(tǒng) ,而不必知道其內部結構和算法。VHDL 的特點使得電子系統(tǒng)新的設計方法——“自頂向下”設計方法更加容易實現(xiàn)[14]。可以先對整個系統(tǒng)進行方案設計 ,按功能劃分成若干單元模塊 ,然后對每個單元模塊進一步細分 ,直到簡單實現(xiàn)的單元電路。 VHDL語言的特點 VHDL語言主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口，其具有以下特點： （1）作為HDL的第一個國際標準，VHDL具有很強的可移植性； （2）具有豐富的模擬仿真語句和庫函數(shù)； （3）VHDL有良好的可讀性，接近高級語言，容易理解； （4）系統(tǒng)設計與硬件結構無關； （5）支持模塊化設計； （6）用VHDL完成的一個確定設計，可以利用EDA工具自動地把VHDL描述轉變成門電路級網表文件。 VHDL語言的優(yōu)點 與其他硬件描述語言相比，VHDL語言有如下優(yōu)越之處[15]： （1）VHDL語言支持自上而下（Top　Down）和基于庫（LibraryBase?。┑脑O計方法，還支持同步電路、異步電路、FPGA以及其他隨機電路的設計； （2）　VHDL語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學模型直到門級電路，其高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述和結構描述混合使用，還可以自定義數(shù)據(jù)　類型，給編程人員帶來較大的自由和方便； （3）VHDL對設計的描述具有相對獨立性，設計者可以不懂硬件的結構，也不必關心最終設計實現(xiàn)的目標器件是什么； （4）VHDL具有電路仿真與驗證功能，可以保證設計的正確性，用戶甚至不必編寫如何測試相量便可以進行源代碼級的調試，而且設計者可以非常方便地比較各種方案之間的可行性及其優(yōu)劣，不需做任何實際的電路實驗； （5）　VHDL語言可以與工藝無關編程； （6）VHDL語言標準、規(guī)范，易于共享和復用。VHDL語言的基本結構 VHDL有五大元素組成,即實體、結構體、配置、程序包和庫[16]。具體說明如下：（1）實體（ENTITY）程序是設計的基本模塊和初級單元,在分層設計中,頂層有頂層實體,.（2）結構體（ARCHITECTURE） 結構體也叫構造體,描述了實體的結構、行為、元件及內部連接關系，也就是說它定義了設計實體的功能，規(guī)定了設計實體的數(shù)據(jù)流程，制定了實體內部元件的連接關系。（3）配置（CONFIGURATION） 配制用于將元件實例與實體結構成對綁定，決定了哪個結構體于實體關聯(lián)。（4）程序包（PACKAGE）程序包是經常使用的數(shù)據(jù)類型和子程序的集合，可以認為是VHDL的工具箱,主要對程序包中的常量、數(shù)據(jù)類型和子程序進行格式描述，類似于C語言中的頭文件。（5）庫（LIBRARY）庫具體對程序包聲明的數(shù)據(jù)類型和子程序進行功能說明。 VHDL語言的應用硬件描述語言已成為當今以及未來電子設計自動化(EDA)解決方案的核心，特別是對于深亞微米復雜數(shù)字系統(tǒng)的設計，硬件描述語言具有獨特的作用。VHDL在數(shù)字電子電路的設計中具有硬件描述能力強、設計方法靈活等優(yōu)點[17]。利用硬件描述語言VHDL，數(shù)字電路系統(tǒng)可從系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和門級三個不同層次進行設計，即上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后，利用電子設計自動化（EDA）工具，逐層進行仿真驗證，再把其中需要變?yōu)閷嶋H電路的模塊組合，經過自動綜合工具轉換到門級電路網表。接著，再用專用集成電路(ASIC)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)自動布局布線工具，把網表轉換為要實現(xiàn)的具體電路布線結構。目前，這種高層次設計(highleveldesign)的方法已被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進行設計。VHDL的應用已成為當今以及未來EDA解決方案的核心，而且是復雜數(shù)字系統(tǒng)設計的核心[18]。4 系統(tǒng)設計方案的研究本系統(tǒng)主要集中在以FPGA以核心外圍擴展設計，整個電路主要電子鎖具的組成框圖是以可編程邏輯器件（FPGA）為核心，配以相應硬件電路，完成密碼的設置、存貯、識別和顯示、驅動電磁執(zhí)行器并檢測其驅動電流值，報警等功能。 FPGA接收鍵入的代碼，并與存貯在閃存中的密碼進行比較，如果密碼正確，則驅動電磁執(zhí)行器開鎖；如果密碼不正確，則允許操作人員重新輸入密碼，最多可輸入三次；如果三次都不正確，則通過FPGA產生報警，F(xiàn)PGA將每次開鎖操作和此時電磁執(zhí)行器的驅動電流值作為狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控器，同時將接收來自接口的報警信息也發(fā)送給監(jiān)控器。 系統(tǒng)實現(xiàn)方案的論證比較方案一 ：采樣臺灣凌陽科技有限公司推出的以凌陽自主研發(fā)的SPCE061A芯片為主控芯片，用一條下載線連接到計算機就可以實現(xiàn)在線仿真、在線調試、在線下載，低廉的價格保證了系統(tǒng)可靠開發(fā)；此外，61板具有SO