??? 關(guān)鍵詞：VHDL 電路簡(jiǎn)化

??? 近年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行芯片或系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不能滿足要求，迫切需要提高設(shè)計(jì)效率。在這樣的技術(shù)背景下，能大大降低設(shè)計(jì)難度的VHDL設(shè)計(jì)方法正越來(lái)越廣泛地被采用。但是VHDL設(shè)計(jì)是行為級(jí)的設(shè)計(jì)?所帶來(lái)的問(wèn)題是設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思考與電路結(jié)構(gòu)相脫節(jié)。設(shè)計(jì)者主要是根據(jù)VHDL的語(yǔ)法規(guī)則?對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的邏輯行為進(jìn)行描述?然后通過(guò)綜合工具進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯、優(yōu)化，通過(guò)仿真工具進(jìn)行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時(shí)延的仿真。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于每個(gè)工程師對(duì)語(yǔ)言規(guī)則、對(duì)電路行為的理解程度不同，每個(gè)人的編程風(fēng)格不同，往往同樣的系統(tǒng)功能，描述的方式是不一樣的，綜合出來(lái)的電路結(jié)構(gòu)更是大相徑庭。因此，即使最后綜合出的電路都能實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，其電路的復(fù)雜程度和時(shí)延特性都會(huì)有很大的差別，甚至某些臃腫的電路還會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的問(wèn)題。從這個(gè)問(wèn)題出發(fā)，我們就很有必要深入討論在VHDL設(shè)計(jì)中如何簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

??? １ 描述方法對(duì)電路結(jié)構(gòu)的影響

??? 用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最終綜合出的電路的復(fù)雜程度除取決于設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的功能的難度外，還受設(shè)計(jì)工程師對(duì)電路的描述方法和對(duì)設(shè)計(jì)的規(guī)劃水平的影響。最常見(jiàn)的使電路復(fù)雜化的原因之一是設(shè)計(jì)中存在許多本不必要的類似LATCH的結(jié)構(gòu)。而且由于這些結(jié)構(gòu)通常都由大量的觸發(fā)器組成，不僅使電路更復(fù)雜，工作速度降低，而且由于時(shí)序配合的原因而導(dǎo)致不可預(yù)料的結(jié)果。例如對(duì)于同一譯碼電路有不同VHDL描述：

１： IF INDEX＝″00000″ THEN

???? STEPSIZE＜＝″0000111″;?

???? WLSIF INDEX＝″00001″ THEN

???? STEPSIZE＜＝″0001000″;?

???? LSIF INDEX＝″00010″ THEN

???? STEPSIZE＜＝″0001001″;?

???? ……

???? ELSE

??????? STEPSIZE＜＝″0000000″;?

???? END IF；

２：STEPSIZE＜＝″0000111″ WHEN INDEX＝″00000″ ELSE

??????????? ″0001000″ WHEN INDEX＝″00001″ELSE

??????????? ″0001001″WHEN INDEX＝″00010″ ELSE

???? ……

?????????? ″0000000″;?

??? 以上兩段程序描述了同一個(gè)譯碼電路。第二段程序由于WHEN......ELSE的語(yǔ)句不能生成鎖存器的結(jié)構(gòu)且ELSE后一定要有結(jié)果，所以不會(huì)有問(wèn)題，而第一個(gè)程序如果不加ELSE STEPSIZE〈＝“0000000”這句，則會(huì)生成一個(gè)含有７位寄存器的結(jié)構(gòu)，雖然都能實(shí)現(xiàn)相同的譯碼功能。但是電路復(fù)雜度會(huì)大增。而由于每個(gè)工程師的寫作習(xí)慣不同，有的喜歡用IF....ELSE的語(yǔ)句，有的喜歡用WHEN....ELSE的方式，而用IF....ELSE時(shí)，如稍不注意，在描述不需要寄存器的電路時(shí)沒(méi)加ELSE，則會(huì)引起電路不必要的開銷。所以在VHDL設(shè)計(jì)中要慎用IF....ELSE這類能描述自身值代入的語(yǔ)句。

??? ２ 設(shè)計(jì)規(guī)劃的優(yōu)劣直接影響電路結(jié)構(gòu)

??? 另一主要引起電路復(fù)雜化的原因是對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)劃的不合理。雖然VHDL語(yǔ)言能從行為描述生成電路，但一個(gè)完整的設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)都不可能由直接描述設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。總要把設(shè)計(jì)分成若干部分，每一部分再分別描述其行為。這就涉及到如何劃分功能模塊的問(wèn)題，要求對(duì)設(shè)計(jì)了解的較深入，才能使劃分更有效，才能降低電路的復(fù)雜程度。例如我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘源為1kHz，每32秒發(fā)出一組信號(hào)（共八組）的簡(jiǎn)單的控制器來(lái)說(shuō)。下面有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

（１）用15位的記數(shù)器實(shí)現(xiàn)把輸入1kHz的時(shí)鐘分頻為1／32Hz，然后用這個(gè)作為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)3位的記數(shù)器，這個(gè)記數(shù)器的八個(gè)狀態(tài)分別通過(guò)一個(gè)3－8譯碼器發(fā)出所要求的信號(hào)。

?２?直接用18位的記數(shù)器把輸入的1kHz時(shí)鐘進(jìn)行分頻，再利用記數(shù)器的八個(gè)相距32秒的狀態(tài)來(lái)推動(dòng)一個(gè)12－8譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

??? 對(duì)于如此的設(shè)計(jì)要求，VHDL程序分別如下所示：

１． 第一種設(shè)計(jì)方法的VHDL源程序

process(clk,cclk,count2)?

begin

if?(clk＝＇1＇ and clk＇event)then

??? count2＜＝count2 ＋ 1;?

??? if(count２＝″000000000000000″)then

????? cclk＜＝＇1＇;?

??? else

????? cclk＜＝＇0＇;?

??? end if;?

end if;?

end process;?

process(cclk,count３,ctemp)?

begin

if(cclk＝＇1＇ and cclk＇event)then

?? count3＜＝count3 ＋1;?

?? if(count3＝″000″)then

????? ctemp＜＝″00000001″;?

?? elsif(count3＝″001″)then

????? ctemp＜＝″00000010″;?

?? elsif(count3＝″010″)then

????? ctemp＜＝″00000100″;?

?? elsif(count3＝″011″)then

????? ctemp＜＝″00001000″;?

?? elsif(count3＝″100″)then

????? ctemp＜＝″00010000″;?

?? elsif(count3＝″101″)then

????? ctemp＜＝″00100000″;?

?? elsif(count3＝″110″)then

????? ctemp＜＝″01000000″;?

?? elsif(count3＝″111″)then

???? ctemp＜＝″10000000″;?

?? else

???? ctemp＜＝″00000000″;?

?? end if;?

end if;?

end process;?

２． 第二種設(shè)計(jì)方法的VHDL源程序

process(clk,ctemp,count)

begin

if(clk＝＇1＇ and clk＇event)then

?? count＜＝count ＋ 1;?

?? if(count＝″00000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00000001″;?

?? elsif(count＝″001000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00000010″;?

?? elsif(count＝″010000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00000100″;?

?? elsif(count＝″011000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00001000″;?

?? elsif(count＝″100000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00010000″;?

?? elsif(count＝″101000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″00100000″;?

?? elsif(count＝″110000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″01000000″;?

?? elsif(count＝″111000000000000000″)then

????? ctemp＜＝″10000000″;?

?? end if;?

end if;?

end peocess;?

??? 對(duì)于第一種的程序可以綜合出的電路如圖1所示。

??? 該電路用一個(gè)15位的加法器和寄存器組成一個(gè)15位的記數(shù)器。在記數(shù)器記完一周回到“000000000000000”時(shí)，通過(guò)后面的15輸入的與非門和一位的觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)同步的進(jìn)行215次分頻，同步輸出32Hz的時(shí)鐘CCLK。CCLK再驅(qū)動(dòng)一8位的移位寄存器，便可實(shí)現(xiàn)每32秒輸出一信號(hào)。

??? 而用第二種的程序設(shè)計(jì)綜合出的電路如圖2所示。

??? 圖２所示的電路用一個(gè)18位的加法器和寄存器組成一個(gè)18位的記數(shù)器。后接了8個(gè)18輸入的邏輯門和8輸入的或門。輸入的1kHz時(shí)鐘經(jīng)過(guò)記數(shù)器被分頻，其中有八個(gè)相隔32Hz的記數(shù)狀態(tài)，邏輯門就負(fù)責(zé)把這八狀態(tài)譯碼成所需的八組信號(hào)。譯碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)選擇器輸出到8位的觸發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)同步輸出。還有個(gè)鎖存器，是用來(lái)保持輸出信號(hào)不變，在八個(gè)狀態(tài)中的從一個(gè)狀態(tài)變到下一個(gè)之前，保持前一個(gè)的數(shù)值。選擇器當(dāng)邏輯門輸出新的數(shù)據(jù)時(shí)讓其輸出數(shù)據(jù)通過(guò)，在新數(shù)據(jù)到來(lái)之前輸出鎖存器的數(shù)據(jù)。

??? 以上兩種方法都能實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，但圖２所示的方法由于運(yùn)用了較少位數(shù)的記數(shù)器，所用的邏輯門也較簡(jiǎn)單，而且還少用了多路選擇器和鎖存器資源，所以綜合出來(lái)的電路較簡(jiǎn)單，以XILINX

??Spartan S05 －3 芯片為例。第一種方法占用芯片CLB的12％，其中FMAPS為9％，最高工作速度為82Hz。而第二種方法占用了15％的CLB，F(xiàn)MAPS占用15％，最高工作速度只有69.9MHz。在這一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)之中就能省20％的電路，提高12.1MHz的工作速度，由此可見(jiàn)科學(xué)的劃分設(shè)計(jì)對(duì)降低電路復(fù)雜程度的重要意義。

??? ３ 邏輯設(shè)計(jì)對(duì)電路結(jié)構(gòu)的影響

??? 還有一個(gè)使電路復(fù)雜化的原因是邏輯電路的輸入項(xiàng)太多以致需占用過(guò)多的面積。我們從圖3和圖4兩個(gè)相同功能的邏輯電路和他們對(duì)應(yīng)的VHDL描述來(lái)分析。

??? 比較兩圖可知，圖3是二級(jí)邏輯門，每個(gè)輸入信號(hào)與不只一個(gè)邏輯門相連，圖4是三級(jí)的邏輯門，每個(gè)輸入信號(hào)只與一邏輯門相連。由于級(jí)數(shù)少，延時(shí)也較少，因此圖3的速度要比圖4快。然而，由于圖３的輸入項(xiàng)要比圖4大的多（10:5），因此，占用的面積必然也比圖3大。圖4是圖3通過(guò)提取公因數(shù)（例中是B和C）得來(lái)的，這是把附加的中間項(xiàng)加到結(jié)構(gòu)描述中去的一種過(guò)程，它使輸入到輸出中的邏輯級(jí)數(shù)增加，犧牲速度換來(lái)電路占用面積的減少。對(duì)于對(duì)延時(shí)要求不高的情況下采用這種方法分解邏輯電路以達(dá)到減少電路復(fù)雜度的目的。

??? 通過(guò)以上簡(jiǎn)單、初步的探討，我們可以知道，用VHDL進(jìn)行集成電路的設(shè)計(jì)，牽涉到對(duì)VHDL語(yǔ)言的使用方法和對(duì)設(shè)計(jì)的理解程度。本文討論了以下幾個(gè)簡(jiǎn)化和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)的3個(gè)值得注意的方面：

（１）在用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)中要注意避免不必要的寄存器描述。

（２）在編寫程序前要先對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行較深入的了解?科學(xué)的劃分設(shè)計(jì)，多設(shè)想幾種方案?再進(jìn)行比較?用多個(gè)較少位數(shù)的單元取代較多位數(shù)的單元。

（３）在延時(shí)要求不高的情況下，可提取邏輯電路公因子?把它分解成含有中間變量的多級(jí)電路。