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VHDL语言在EDA仿真中的应用
大连轻工业学院金凤莲

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摘要：介绍了VHDL语言及其基本特点，讨论了VHDL语言在EDA中的诸多优点，并以交通信号灯主控制电路的设计为例，说明了用VHDL语言设计数字电路的方法以及VHDL语言在数字电路设计仿真中的重要作用，给出了交通信号灯主控制电路的时序仿真波形。仿真结果表明VHDL语言应用于数字电路仿真是切实可行的，在跟踪性和快速性方面达到了令人满意的效果。关键词：VHDL；仿真；EDA；数字电路 Application of VHDL in EDA Simulation JIN Fenglian (Department of Information Engineering, Dalian Institute of L ight Industry, Dalian,116034,China) Abstract：The Very High Speed Integrated Circuit Hardware De scription Language(VHDL)and its basic features are introduced the advantages o f VHDL in EDA are discussed, with an example, the control circuit of the traff ic signal lamp, th e methods of devising digital circuit by VHDL is introduced, and the important r ole played by VHDL in the simulative of digital circuit design is described th e waveform of time analyzer simulation is showedSimulation results verify tha t VHDL is feasible in digital circuit design and simulating, satisfactory result s are achieved, tracking the transient process sensitively Keywords：VHDL; simulation; EDA; digital circuit 随着电子技术的发展，数字系统的设计正朝高速度、大容量、小体积的方向发展，传统的自底而上的设计方法已难以适应形势。EDA（Electronic Design Automation）技术的应运而生，使传统的电子系统设计发生了根本的变革。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言VHDL（Very High Speed Integrated Circui t Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段自顶而下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直至生成器件。VHDL语言是目前应用于数字系统仿真最为实用的语言之一。 1 VHDL特点 VHDL语言最早由美国国防部提出。用VHDL语言进行数字逻辑电路和数字系统的设计，是电子电路设计方法上的一次革命性变革。与传统设计方法相比，VHDL描述电路行为的算法有很多优点： (1) 设计层次较高、用于较复杂的计算时，能尽早发现存在的问题，缩短设计周期。 (2) 独立实现，修改方便，系统硬件描述能力强。 (3) 可读性好，有利于交流，适合于文档保存。 (4) VHDL语言标准、规范、移植性强。 (5) VHDL类型众多而且支持用户自定义类型，支持自顶而下的设计方法和多种电路的设计。 2 数字系统的设计流程 VHDL按要求对系统进行描述，然后综合、仿真、适配，当确认设计符合要求时，再将设计映射至实际的逻辑器件中，设计流程如图1所示。（图片） VHDL语言已日益成为一种通用的硬件设计交换媒介，计算机辅助工程软件的供应商已把VHDL作为其CAD或EDA软件输入与输出的标准。其中ALTERA公司提供了一套十分有特色的综合工具MAX+PLUSⅡ，他提供了全面的逻辑设计能力，从编辑、综合、布线到仿真、下载一气呵成，十分方便。 3 设计实例及仿真结果 3.1设计实例以交通信号灯主控制电路的设计为例，应用MAX+PLUSⅡ软件平台，来说明VHDL语言在EDA仿真中的应用。设有一个主干道与支干道的交叉路口，每边都设有红、黄、绿信号灯，设计一个控制器优先保证主干道的畅通。该设计实例的基本功能描述为：（1）平时处于“主干道绿灯，支道红灯”状态，只有在支道有车辆要穿行主干道时，才将交通灯切向“主干道红灯，支道绿灯”。（2）一旦支道无车辆通过路口，交通灯又回到“主干道绿灯，支道红灯”的状态。（3）主干道和支干道每次通行的时间不得短于30 s，在两个状态交换过程出现 “主黄，支红”和“主红，支黄”状态，持续时间都是4 s。该功能描述的状态图如图2所示。（图片）因为主干道和支干道各有3种灯（红、黄、绿），他们在正常工作时，发亮的灯只有4种可能：（1）主绿灯和支红灯亮——主干道通行。（2）主黄灯和支红灯亮——主干道停车。（3）主红灯和支绿灯亮——支干道通行。（4）主红灯和支黄灯亮——支干道停车。根据交通灯信号控制的要求，可把他分解为定时器和控制器两部分。CLK：时钟脉冲；SM ：主干道来车信号；SB：支干道来车信号；MR：主干道红灯；MY：主干道黄灯；MG：主干道绿灯；BR：支干道红灯；BY：支干道黄灯；BG：支干道绿灯。主控制电路设计程序如下：（图片）（图片）（图片） 3.2 仿真结果分析利用MAX+PLUSⅡ对由VHDL编写的主控制电路程序进行编译和仿真，由分析知，主干道和支干道的控制灯正常工作时只有4种状态，而这4种状态完全取决于按键SM（主干道来车信号）和SB（支干道来车信号），故本设计主控制电路的仿真结果共有4个，由于当SM和SB都是低电平（为0）时，所有的指示灯都为低电平，即都不被点亮，故可分3种情况讨论仿真结果，由于篇幅所限，本文只给出主干道有车、支干道有车时的仿真结果。当主、支干道都有车时，这种情况相对复杂，他体现了控制器的精华部分，为了把此时的仿真波形更加具体化，特分3张图来详细说明其工作过程，如图3所示。（图片）由图3(a)知，控制器刚开始工作时，主干道绿灯、支干道红灯被点亮，控制器处于状态S1（本设计输出延迟0.5 s，符合要求）。由图3(b)分析知，当主、支干道都有车时，状态S1保持到第30 s后，开始转向状态S2，即主干道由黄灯转为绿灯亮并保持4 s，支干道红灯持续亮并也保持4 s，4 s后，控制器开始向状态S3转变，主干道由黄灯亮转为红灯亮，支干道由红灯亮转化为绿灯亮。由图3(a)和(b)知当主支干道都有车时前半阶段支干道的红灯被点亮的时间等于主干道黄灯和绿灯的时间被点亮的时间（34 s），符合前述的设计情况。状态S3一直保持了30 s，即在第64 s时发生了变化，开始向状态S4转变，支干道由绿灯亮转化为黄灯亮，主干道继续保持红灯亮4 s，4 s过后，也就是在第68 s时，控制器又由状态S4 转变为状态S1，主干道由红灯亮转化为绿灯亮，支干道由黄灯亮转变为红灯亮，完成了一个周期的控制工作，由图3(c)知在一个周期的下半段主干道红灯亮的时间等于支干道黄灯和绿灯被点亮的时间之和（34 s），经分析知此程序完全实现了前述的控制要求。 4 结语 EDA技术彻底改变了数字系统的设计方法和实现手段，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL 和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将给硬件设计领域带来巨大的改革。参考文献［1］侯伯亨.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1999. ［2］Xilinx Inc.The Programmable Logic Data Book［Z］.Xilinc Inc,USA: 1998. 12/2/2005


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