【文章內(nèi)容簡介】 年，經(jīng)過幾年的修訂和擴展，IEEE 公布了 VHDL 的新版本 IEEE1164。 1996 年， 成為 VHDL 的綜合標準。 1995 年，我國國家技術監(jiān)督局制定的《 CAD 通用技術規(guī)范》推薦 VHDL 作為我國電子設計自動化硬件描述語言的國家標準。自此， VHDL 在我國迅速開始普及。 縱觀 VHDL 的發(fā)展過程， VHDL 不但適應了當今 EDA 技術的發(fā)展，反過來它還變革性地 促進了 EDA 技術的進步。正是因為有了 VHDL 這一功能強大的硬件描述語言，電子系統(tǒng)的硬件設計軟件化才真正成為現(xiàn)實。如今，大多數(shù)的 EDA 工具都采用VHDL 來作為主要的硬件描述語言。 VHDL 的優(yōu)點 [4] VHDL 迅速普及主要源于其強大的自身功能和特點。主要優(yōu)點如下： 1）覆蓋面廣，有強大的系統(tǒng)硬件描述能力 ? VHDL 可以覆蓋行為描述、 RTL (寄存器傳輸 )級描述、門描述、電路描述和物理參數(shù)描述（包括延時、功耗、頻率、幾何尺寸等）。 ? VHDL 還具有豐富的數(shù)據(jù)類型 。 即可以支持預定義的數(shù)據(jù)類型，也可以自己定 義數(shù)據(jù)類型。這樣便給硬件描述帶來了較大的自由度，使設計人員能夠方 6 便地使用 VHDL 創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)模型。 2）可讀性好、易于修改 在硬件電路設計過程中，主要的設計文件是用 VHDL 編寫的源代碼，因為VHDL 易讀和結(jié)構(gòu)模塊化，所以易于修改設計。 3）獨立于器件的設計，與工藝無關 用 VHDL 進行硬件電路設計時，并不需要首先考慮選擇完成設計的器件，也就是說， VHDL 并沒有嵌入具體的技術和工藝約定，設計人員可以集中精力進行設計的優(yōu)化，不需要考慮其他問題。當一個設計描述完成以后，可以用多種不同的器 件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能。 4）易于移植和設計資源共享 由于 VHDL 是一種國際標準化的硬件描述語言，對于同一個設計描述，它可以移植到符合相同標準的任意系統(tǒng)或平臺上運行。 對于一些較大的通用性硬件電路，目前已經(jīng)有專門的 IP 核出售，因此，能實現(xiàn)設計資源的有償使用，可大大縮短設計周期，加快設計產(chǎn)品的上市速度。 VHDL 設計硬件電路的方法 [5][6] VHDL 是 IEEE 所確認的一種標準化硬件描述語言，它在設計描述的過程中有一定的設計流程可以遵循。一般來講， VHDL 的設計流程主要包括以下幾個步驟： 1) 設計規(guī)范的定義 采用 VHDL 進行設計描述之前，設計人員首先要對電子系統(tǒng)的設計目的和設計要求有一個明確、清晰的認識，然后形成 整 體設計規(guī)范的定義，這一步驟對以后的設計來說是非常重要的。設計規(guī)范的定義將對后面的設計步驟起到提綱挈領的作用，它相當于系統(tǒng)設計的總體方案。 2) 采用 VHDL 進行設計描述 采用 VHDL 進行設計描述主要包括設計規(guī)劃和程序編寫兩個步驟。設計規(guī)劃的主要任務是進行設計方式的選擇以及是否進行模塊劃分。通常情況下，設計中采用的設計方式包括直接設計，自頂向下設計和自底向上設計，一般采用自頂向下的設計方法。 模塊劃分是設計過程中一個非常重要的步驟。模塊劃分的好壞將會直接影響到最 7 終的電路設計，因此設計人員在這一步應該花費一定的時間，從而保證模塊劃分的最優(yōu)化。 進行完設計規(guī)劃后，設計人員就可以按照模塊劃分來編寫各個模塊的 VHDL 程序，然后將各個模塊的 VHDL 程序組合在一起，從而完成整個設計的 VHDL 描述。 3) VHDL 程序仿真 在設計流程中，綜合、優(yōu)化和裝配 (或者布局布線 )等后續(xù)操作往往需要花費大量的時間。一旦在后續(xù)工作中發(fā)現(xiàn)設計錯誤，設計人員往往需要修改 VHDL 描述，然后再重新進行綜合、化和裝配 (或者布局布線 ) 等后 續(xù)操作，如此反反復復，將會浪費大量的時間和人力物力。因此，設計人員常常在完成編碼后采用仿真器對 VHDL設計描述進行仿真 (有時稱作前仿真 )，這樣可以提早發(fā)現(xiàn)設計錯誤，節(jié)省時間，縮短開發(fā)周期。 4) 綜合、優(yōu)化和裝配 (或者布局布線 ) 綜合是指將較高層次的抽象描述轉(zhuǎn)化到較低級別抽象的一種方法，簡單地說，就是將設計的描述轉(zhuǎn)化成底層電路表示。通常，綜合的結(jié)果是一個網(wǎng)表或者是一組邏輯方程。 優(yōu)化是指將設計的時延縮到最小和有效利用資源。幾乎所有高級 VHDL 綜合工具都可以使用約束條件對設計進優(yōu)化。約束條件的設置主要包括時間約束和 面積約束。 對設計描述進行完綜合和優(yōu)化操作后， EDA 工具需要將綜合和優(yōu)化的邏輯結(jié)果分配到一個邏輯器件中。通常，裝配用來描述對一定的 CPLD 的資源進行分配的過程；布局布線則是將綜合和優(yōu)化后生成的邏輯規(guī)劃到一個 FPGA 的邏輯結(jié)構(gòu)中，然后將各邏輯單元放置到相應優(yōu)化的位置，最后在邏輯元胞之間、邏輯元胞和 I/O 口之間進行布線。 5) 裝配 (或布局布線 )后的仿真 與 VHDL 程序仿真不同，裝配 (或布局布線 ) 后的仿真不僅要對設計描述的邏輯功能進行驗證，而且還要對設計描述的時序功能進行驗證。如果時序不能滿足，那么需要回到前面的步 驟重新進行操作。通常，裝配 (或布局布線 ) 后的仿真有時候被稱為后仿真。 6) 器件編程 器件編程就是將設計描述經(jīng)過編譯、綜合、優(yōu)化和裝配 (或者布局布線 ) 后的結(jié)果， 8 經(jīng)過一定的映射轉(zhuǎn)化成器件編程所需要的數(shù)據(jù)文件格式，然后通過燒片器或者下載電纜將數(shù)據(jù)文件下載到器件中的過程。 9 第二章 HDB3 碼的編譯 規(guī)則 主要的基帶傳輸碼型 要了解 HDB3 碼的編碼規(guī)則，必須了解 NRZ碼以及 AMI 碼。 NRZ全稱 NonReturn to Zero，即單極性不歸零碼。即信號 1 有脈沖，信號 0 無脈沖，占空比 100% 。為克服 NRZ 信號存在直 流分量以及豐富的高頻分量，一般采用雙極型歸零碼AMI(Alternate Mark Inversion)： 0 信號依然無脈沖， 1 信號采用兩種交替極性的脈沖傳輸，占空比為 50% 。這種碼型不存在直流分量，且高頻分量較 NRZ 要少。然而在實際應用中，人們發(fā)現(xiàn) 0 信號占有較大的比重，而連續(xù)的 0 信號對系統(tǒng)的同步以及時鐘頻率的提取較為不利，而采用 HDB3 碼是解決這一問題的方法之一。 [7] HDB3碼的編碼 規(guī)則 HDB3 碼是 AMI 碼的改進型。它克服了 AMI 碼的長連 0 串現(xiàn)象。 HDB3 碼的編碼規(guī)則： 第一步：將消息代碼 變換成 AMI 碼； 第二步：檢查 AMI 碼中的連 0 情況，當 4 個或 4 個以上的連 0 串時，則保持 AMI 的形式不變；若出現(xiàn) 4 個或 4 個以上連 0 串時，則將 1 后的第 4 個 0 變?yōu)榕c前一非 0 符號（ +1 或 1）同極性的符號，用 V 表示（ +1 記為 +V， 1 記為 V）。 第三步：檢查相鄰 V 符號間的非 0 符號的個數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶數(shù)，則再將當前的 V 符號的前一非 0 符號后的第 1 個 0 變?yōu)?+B 或 B 符號，且 B 的極性與前一非 0 符號的極性相反，并使后面的非 0 符號從 V 符號開始再交替變化。 例如 ，如表 21 所示 的例子。 表 21 HDB3 編碼舉例 代碼 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 HDB3 +1 0 1 +1 0 0 0 +V 0 1 +1 B 0 0 V 0 +1 10 HDB3碼的譯碼 規(guī)則 HDB3 碼的譯碼是編碼的逆過程，其譯碼相對于編碼較簡單。從其編碼原理可知，每一個破壞符號 V 總是與前一非 0 符號同極性 [8]，因此，從收到的 HDB3 碼序列中，容易識別 V 符號，同時也肯定 V 符號及其前面的 3 個符號必是連 0 符號，于是可恢復成 4 個連 0 碼，然后再將所有的 1 變成 +1 后便得到原消息代碼。 舉例如表 21 所示。 表 21 HDB3 譯碼舉例 HDB3 +1 0 1 0 +1 1 0 0 0 1 +1 0 0 +1 1 0 +1 破壞符V,B V +B +V 譯碼 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 HDB3碼的檢錯 能力 HDB3 碼具有檢錯能力，當傳輸過程中出現(xiàn)單個誤碼時，破環(huán)點序列的極性交替規(guī)律將受到破壞，因而可以在使用過程中監(jiān)測傳輸質(zhì)量。但單個誤碼有時會在接收端譯碼后產(chǎn)生多個誤碼。 HDB3 碼的平均誤增殖系數(shù)在 之間 ，有時高逹 2，這取決于譯碼方案。 [1] 11 第三章 HDB3 編碼器的 FPGA 實現(xiàn) 編碼器實現(xiàn)分析 在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，從信源輸出的信號一般是用“ 0”、“ 1”兩種狀態(tài)表示的單極性（ NRZ）碼。 [9]因此， HDB3 編碼器的主要轉(zhuǎn)換對象就是 NRZ 碼。由 HDB3碼的編碼規(guī)則可知，編碼器的工作主要是是按 AMI 碼對信號進行編碼，判斷是否應該加入破壞符 V， V 加入后是否該補 B。由于需要檢查到四位連 ?0?才能進行加 V 補 B的操作，用于存放數(shù)據(jù)的移位寄存器就不能少。 設計難點在于加 V, B 的判決。 HDB3 編碼器的設計思 路 4 連‘ 0’ 的檢 出加 V 及判 ‘ 1’ 極性 當輸入遇到 4 連 ‘ 0’ 時，按編碼規(guī)則，須以 000V 或 B00V 取代。因此需要先有一個 4 連 ‘ 0’ 檢出模塊 [10]。該模塊檢出 4 連 ‘ 0’ 時，產(chǎn)生一個加 V 信號，把 V 取代最后一個 ‘ 0’ ，同時根據(jù)前一個 V 的極性判斷當次 V 的極性。當輸入為‘ 1’時，就按 AMI 碼判其極性。 取代節(jié) 選取 當檢出 4 連 ‘ 0’ 時，除了加 V 外，還 須 要考慮用 B 取代第一 個 ‘ 0’ ，還是保持第一個 ‘ 0’ 不變地輸出。可以在加 V 的時候 根據(jù)前一個 V 和 4 連 ‘ 0’ 碼前一脈沖的極性， 去 判斷加 B，還是保持 ‘ 0’ 碼。若 須 要加 B，則進行加 B 的操作，同 時判斷 B的極性。其極性可根據(jù) B00V 來決定，因為 B00V 中 B 跟 V 是同極性的。 整體思路原理如圖 31 所示。 圖 31 HDB3 編碼器實現(xiàn)原理圖 12 加 B00V 還是加 000V，可根據(jù)如表 31 中相關的極性關系進行判斷。 表 31 取代節(jié)極性判決 前一破壞點的極性 ＋ － ＋ － 4 連 0 碼前一脈沖的極性 ＋ － － ＋ 取代節(jié) － 00－ ＋ 00＋ 000－ 000＋ B00V 000V 設計建模 由于 HDB3 碼是雙極性的，而 CPLD/FPGA 只能進行單極性處理。因此須把 HDB3碼的雙極性變換為單極性，以便 FPGA 器件對其進行處理。將 HDB 碼的‘ +1’，‘ 0’，‘ 1’用數(shù)字信號 1,0 重新編碼，用 01 編碼‘ +1’，用 00 編碼‘ 0’，用 11 編碼‘ 1’ 。如表 32 所示 ， 其中低位與其本來數(shù)值相符，高位則以 0 來標識‘ +’ ,用 1 來標識‘ ’。 表 32 HDB3 的碼元重新編碼 HDB3 碼元 自定單極性標 識 +1 01 0 00 1 11 因此在 最后 ， 須 加 接外部電路，把單極性轉(zhuǎn)換為雙極性輸出。如利用一個四選一的數(shù)據(jù)選擇器 CC4052（其功能表如表 33 所示），二維數(shù)組作為 CC4052 的選擇地址，在輸出端 out 可以得到符合規(guī)則的 “+1”、 “1”、 “0”變化波形。 表 33 CC4052 功能表 輸入 導通通道 INH A1 A0 L L L I0/O0O/I L L H I1/O1O/I L H L I2/O2O/I L H H I3/O3O/I H X X 無 把得到兩個輸出的分別接到 A1， A0 作地址控制端，便可使其輸出相應電平。 13 4 連 0 的檢出 ， AMI 編碼 及插 V 先 進行 4 連 0 的檢出， 再 把輸入的 NRZ 按 AMI 編碼，用 t0 記錄連 0 的情況 ，若檢出 4 連 0 ( t0=3) 就進行加