【文章內(nèi)容簡介】 [PORT(端口表 )； ] END ENTITY 實體名； 結(jié)構(gòu)體 結(jié)構(gòu)體也叫構(gòu)造體，結(jié)構(gòu)體描述了基本設(shè)計單元 (實體 )的結(jié)構(gòu)、行為、元件及內(nèi)部連接關(guān)系，也就是說它定義了設(shè)計實體的功能，規(guī)定了設(shè)計實體的數(shù)據(jù)流程，制定了實體內(nèi)部元件的連接關(guān)系。結(jié)構(gòu)體對其基本設(shè)計單元的輸入和輸出關(guān)系可用以下三種方式進(jìn)行描述 ，即行為描述 (基本設(shè)計單元的數(shù)學(xué)模型描述 )、寄存器傳輸描述 (數(shù)據(jù)流描述 )和結(jié)構(gòu)描述 (邏輯元件連接描述 )。結(jié)構(gòu)體是對實體功能的具體描述，因此它一定要跟在實體的后面。 9 塊 語 句 ( B L O C K )元 件 例 化 語 句子 程 序 調(diào) 用 語 句信 號 賦 值 語 句進(jìn) 程 語 句 ( P R O C E S S )說 明 語 句結(jié) 構(gòu) 體 ( A R C H I T E C T U R E )功 能 描 述 語 句 圖 21: 結(jié)構(gòu)體構(gòu)造圖 塊、子程序和進(jìn)程 塊語句 (BLOCK)：在較大規(guī)模的電子系統(tǒng)設(shè)計中，傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計通常包括一張系統(tǒng)總電路原理圖和若干張子原理圖。在 VHDL 程序設(shè)計中，結(jié)構(gòu)體是由多個 BLOCK 塊構(gòu)成的，如果將結(jié)構(gòu)體比做總電路原理圖，那么，每個BLOCK 塊則相當(dāng)于 一張子原理圖。 BLOCK 塊語句的結(jié)構(gòu)： 塊標(biāo)號： BLOCK 接口說明 類屬說明 BEGIN 并行塊語句 END BLOCK(塊標(biāo)號 )； 進(jìn)程 (PROCESS)： PROCESS 結(jié)構(gòu)是最能體現(xiàn) VHDL 語言特色的語句。與BLOCK 語句一樣，利用 PROCESS 語句結(jié)構(gòu)可以描述一個功能獨立的電路。與BLOCK 語句不同之處是，在系統(tǒng)仿真時， PROCESS 結(jié)構(gòu)中的語句是按順序逐條向下執(zhí)行的，而不像 BLOCK 語句那樣并發(fā)執(zhí)行。一個結(jié)構(gòu)體中可以有多個并行運行的 進(jìn)程結(jié)構(gòu)，每一個進(jìn)程內(nèi)部是由一系列順序語句來構(gòu)成的。 PROCESS 語句的結(jié)構(gòu) [進(jìn)程標(biāo)號 ] PROCESS [(敏感信號表 )] [IS] 10 [進(jìn)程說明語句 ] BEGIN 順序描述語句 END PROCESS [進(jìn)程標(biāo)號 ]； 子程序 (SUBPROGRAM)： VHDL 程序與其他軟件語言程序中應(yīng)用子程序的目的是相似的，即能夠更有效地完成重復(fù)性的工作。子程序模塊是利用順序語句定義和完成算法的，但子程序不能像進(jìn)程那樣可以從本結(jié)構(gòu)體的其他塊或進(jìn)程結(jié)構(gòu)中讀取信號值或向信號賦值，只能通過子程序調(diào)用與子程序的界 面端口進(jìn)行通信 [12]。 子程序被調(diào)用時，首先要初始化，執(zhí)行處理功能后，將處理結(jié)果傳遞給主程序。子程序內(nèi)部的值不能保持，子程序返回后才能被再次調(diào)用并初始化。 子程序有兩種類型：過程 (PROCEDURE)和函數(shù) (FUNCTION)。 1．過程 (PROCEDURE) 過程語句的書寫格式為： PROCEDURE 過程名 (參數(shù)表 )IS [說明部分 ] BEGIN 過程語句部分 END PROCEDURE 過程名； 函數(shù)的語言書寫格式為： FUNCTION 函數(shù)名 (參數(shù)表 ) RETURN 數(shù)據(jù)類型 IS [說明部分 ]； BEGIN 順序語句； RETURN [返回變量名 ]； END RETURN 函數(shù)名； 庫和程序包 庫和程序包用來描述和保留元件、類型說明函數(shù)、子程序等，以便在其它設(shè) 11 計中可以隨時引用這些信息，提高設(shè)計效率。 庫 (LIBRARY)：庫是經(jīng)編譯后的數(shù)據(jù)的集合，它存放包集合定義、實體定義、結(jié)構(gòu)定義和配置定義。 庫語句的格式為： LIBRARY 庫名； 程序包 (package)：程序包也叫包集合，主要用來存放各個設(shè)計都能共享的數(shù)據(jù)類型、子程序說明、屬性說明和元件說明等部分。設(shè)計者使用時只要用 USE子句進(jìn)行說明即可。 程序包由兩部分組成：程序包首和程序包體。 程序包的一般書寫格式如下： PACKAGE 程序包名 IS END [PACKAGE] 程序包名； 程序包首 PACKAGE BODY 程序包名 IS ┇ 程序包體 END [PACKAGE BODY] [程序包名 ]； 默認(rèn)配置 配置語句描述了層與層之間的連接關(guān)系，以及實體與構(gòu)造體之間的連接關(guān)系。 (一個實體 (ENTITY)可以有多個構(gòu)造體 )設(shè)計者可以利用配置語句選擇不同的構(gòu)造體，使其與要設(shè)計的實體相對應(yīng)；在仿真某一個實體時，可以利用配置選擇不同的構(gòu)造體進(jìn)行性能對比實驗，以得到性能最佳的構(gòu)造體。 在用 VHDL 描述硬件電路時，常常采用結(jié)構(gòu)描述方式和混合描述方式。在這兩種描述方式中，常常需要將其他設(shè)計實體作為元件進(jìn)行引用，這時就需要將不同元件通過配置安裝到不同的設(shè)計實體中。 VHDL提供了配置語句用于描述各種設(shè)計 實體和元件之間連接關(guān)系以及設(shè)計實體和結(jié)構(gòu)體之間的連接關(guān)系 [13]。 默認(rèn)配置語句的基本格式為： CONFIGURATION 配置名 OF 實體名 IS FOR 選配結(jié)構(gòu)體名 END FOR END 配置名； 12 VHDL 最基本的描述方法 結(jié)構(gòu)體的行為描述法 所謂結(jié)構(gòu)體的行為描述 (behavioral descriptions)，即對設(shè)計實體按算法的路徑來描述。行為描述在 EDA 工程中稱為高層次描述或高級描述，原因有以下兩點： (1)實體的行為描 述是一種抽象描述，而不是某一個器件，對電子設(shè)計而言，是高層次的概括，是整體設(shè)計功能的定義，所以稱為高層次描述。 (2)從計算機領(lǐng)域而言，行為描述和高級編程語言類似，所以計算機業(yè)內(nèi)人士通常稱之為高級描述。 當(dāng)用順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)體的行為描述時，設(shè)計工程師可為實體定義一組狀態(tài)時序機制，不需要互連表，無須關(guān)注實體的電路組織和門級實現(xiàn)，這些完全由 EDA工具綜合生成，設(shè)計工程師只需注意正確的實體行為、準(zhǔn)確的函數(shù)模型和精確的輸出結(jié)果。 結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)流描述法 數(shù)據(jù)流描述 (dataflow description)是結(jié)構(gòu)體描述方法之一，它描述了數(shù)據(jù)流程的運動路徑、運動方向和運動結(jié)果。 數(shù)據(jù)流描述法采用并發(fā)信號賦值語句，而不是進(jìn)程順序語句。一個結(jié)構(gòu)體可以有多重信號賦值語句，且語句可以并發(fā)執(zhí)行。 13 第 三 章 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計 紅綠燈交通信號系統(tǒng)功能描述 在交通信號燈的設(shè)計中，系統(tǒng)功能設(shè)計要求主干道各設(shè)有一個綠、黃、紅指示燈。主干道綠燈亮?xí)r，支干道紅燈亮，反之亦然，兩者交替允許通行。主干道每次放行 25s，支干道每次放行 15s。每次由綠燈變?yōu)榧t燈的過程中，亮光的黃燈作為過渡，黃燈的時間為 5s。 能實現(xiàn) 正常的倒計時顯示功能。能實現(xiàn)總體清理功能，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù)，對應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。 外部硬件電路方面主要包括：兩組紅綠燈、兩組 LED 顯示器。軟件方面包括：（ 1）電路合成模塊的概念：將交通燈信號系統(tǒng)劃分成若干個小電路，編寫每一個模塊的 VHDL 程序代碼，并將各個小電路相連接。這樣可以增加程序的調(diào)試速度，同時也能夠?qū)⒐ぷ骷?xì)分，以提高編程速度（見圖 31）。（ 2）參數(shù)化的概念：針對不同時段的交通流量，可以調(diào)整紅綠燈電路（增加或者減少電路的計數(shù)時間），以增加程序的靈活性。 圖 31 交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (見圖 31)可知，該系統(tǒng)由 4 個子電路組成。其中包括： （ 1） 時鐘發(fā)生電路； （ 2） 計數(shù)秒數(shù)選擇電路； 時 鐘 發(fā) 生 電 路 計數(shù)秒數(shù)選擇電路 紅綠燈信號控制電路 倒計時控制電路 時鐘輸入端 系統(tǒng)復(fù)位端 東西及南北 方向信號燈 東西及南北 方向倒計時 14 （ 3） 倒計時控制電路； （ 4） 紅綠燈信號控制電路。 系統(tǒng)的模塊設(shè)計 時鐘脈沖發(fā)生電路 在紅綠燈交通信號系 統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動控制的方式指揮交通的。因此，為了避免意外事件的發(fā)生，電路必須給出一個穩(wěn)定的時鐘（ clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。因此， hld1 時鐘發(fā)生電路最主要的功能就是產(chǎn)生一些穩(wěn)定的輸出信號，并將其用做后面幾個電路的使能控制與同步信號。程序如下（見附錄） 圖 32 是時鐘脈沖發(fā)生電路的元件模塊圖。 圖 32: 時鐘發(fā)生電路模塊圖 系統(tǒng)輸入信號： clk：由外部信號發(fā)生器提供 1kHZ的時鐘信號； reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號。 系統(tǒng)輸出信號： ena_scan：將外部 的時鐘信號進(jìn)行分頻處理； ena_1hz：產(chǎn)生每秒一個的脈沖信號； flash_1hz：產(chǎn)生每秒一個脈沖的時鐘信號。 圖 33是時鐘脈沖發(fā)生電路通過 Quartus II軟件仿真得到的仿真波形圖。 圖 33: 時鐘發(fā)生電路時序圖 15 從圖 33 可以看出，當(dāng)加入 1kHZ 的時鐘信號后， ena_1hz 產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖信號， flash_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖時鐘信號。 在這段程序的設(shè)計過程中最大的特點就是引用了參數(shù)化的概念，即使用了常數(shù) (constant)。常數(shù)的定義和設(shè)置主要是為了使程序更容易閱讀和修改，只要改變了常量的數(shù)值，使用到該常數(shù)的地方都會隨著更新而使用新的常數(shù)值。這就使設(shè)計的靈活性增強了。例如程序中用到的： constant scan_bit:positive:=2。 signal clk_scan_ff:std_logic_vector(scan_bit1 downto 0)。 第 一 句 就是 將scan_bit 設(shè)為常數(shù) ‘ 2’，這個數(shù)值是可以根據(jù)設(shè)計的需要任意設(shè)定的。第二句是定義一個信號，它的位數(shù)就是 (scan_bit1),因為之前 scan_bit 設(shè)定的值為 2，所以信號的位數(shù)就是 2 位。如果想增減信號的位數(shù)，只需要改動常數(shù)的賦值就可以了。 計數(shù)秒數(shù)選擇電路 當(dāng)通過交通路口時，如果能在一個方向增添一個倒計時顯示器對車輛、行人加以提示，可能會有更好的效果。因此 ,計數(shù)秒數(shù)選擇電路最主要的功能就是負(fù)責(zé)輸出顯示器需要的數(shù)值（即倒數(shù)的秒數(shù)值），作為倒計時顯示器電路的計數(shù)秒數(shù)。程序如下（見附錄） 圖 34 是計數(shù)秒數(shù)選 擇電路的元件模塊圖。 圖 34: 計數(shù)秒數(shù)選擇電路模塊圖 系統(tǒng)輸入信號： clk：由外部信號發(fā)生器提供 1kHz的時鐘信號； reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復(fù)位信號； ena_scan：接收由時鐘發(fā)生電路提供的 250Hz的時鐘脈沖信號； recount：接收由交通燈信號控制電路產(chǎn)生的重新計數(shù)的使能控制信號； sign_state：接收由交通燈信號控制電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號。 系統(tǒng)輸出信號： load：負(fù)責(zé)產(chǎn)生計數(shù)器所需要的計數(shù)數(shù)值。 16 圖 35 是計數(shù)秒數(shù)選擇電路通過 Quartus II 軟件仿真得到的仿真波形圖。 圖 35: 計數(shù)秒數(shù)選擇電路時序圖 由計數(shù)描述選擇電路的時序圖 (見圖 35)可以看出這段程序中定義了在正常車流量情況下，東西及南北方向紅燈、黃燈和綠燈需要維持的秒數(shù)分別是 15s、5s 和 25s。 當(dāng)外部信號發(fā)生器提供了 1kHZ 的時鐘信號，并且重新計數(shù)信號 (recount)為“ 1”時 ,load 信號就會按照預(yù)先設(shè)置的數(shù)值逐 1 遞減 ,直至減到零為止 ,當(dāng)下一個重新計數(shù)信號 (recount)再次為“ 1”時，會重復(fù)此過程。 倒計時控制電路 通過日常生活中的觀察，我發(fā)現(xiàn)在一些交通路口已經(jīng)開 始使用倒計時顯示器，它們的作用就是用來提示車輛行人目前還有多長時間信號燈會發(fā)生變化，這樣車輛行人就可以提前判斷是否有足夠的時間通過路口，進(jìn)而就可以避免很多意外事故的發(fā)生。例如：南北方向綠燈，車輛處于正常行駛中，東西方向紅燈，車輛處于等待中，若南北方向行駛的車輛看到倒計時顯示器上可以通行的時間很短，可能就會放慢速度等待下一次通行，這樣在東西方向綠燈時，車輛就能夠正常行駛，不會為等待南北方向強行的車輛而耽誤更多的時間。如此循環(huán)下去，道路就會暢通無阻了?？紤]到有些路口的交通擁堵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，車輛會在道路上排成很長 的一隊，這樣排在較遠(yuǎn)距離的司機就很難看清楚倒計時顯示器上變化的數(shù)字，有可能會影響到車