概要

由于VHDL编程实现数字电路具有很高的灵活性,为多种不同的思路编写实现同一种功能提供了可能。这些不同的设计思路,在耗费资源,可靠性,速度上也有很大的差异,往往需要我们根据实际需求和资源条件选择适合的设计思路。

正文

本文以十进制1k计数器作为例子,阐述不同的思路最终形成的数字电路的差异性。该十进制的需求输入输出信号如图



作为硬件设计的初学者,可能还会利用软件设计的思路来编写VHDL代码。假设我们在一个高级语言(相对应机器语言)的环境下,实现一个这样的计数器对于程序员来说,最简单不过了。维护一个自加变量,每当触发条件(这里是时钟上升沿信号)发生时,这个变量的值自加即可。至于输出该变量的每一位,则通过除余法来实现。

若是利用硬件思路来实现,则会想到利用十进制计数器了。通过多个十进制计数器进行级联,即可实现十进制1k计数器。每一个十进制计数器中的数据对应着每一位的数,可以直接输出这些计数器的数据。

这两种设计思路的不同,完成的VHDL的代码,实现的数字电路的各种特性也有很大差异。

  • 软件思路

    这是软件设计思路写出的VHDL代码:
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY CNT1000 IS
PORT (
CLK : IN STD_LOGIC ;
EN : IN STD_LOGIC ;
COUT : OUT STD_LOGIC;
D0,D1,D2 :OUT INTEGER RANGE 0 TO 9
);
END ENTITY CNT1000; ARCHITECTURE RT1 OF CNT1000 IS
BEGIN
PROCESS ( CLK )
VARIABLE CNT : INTEGER RANGE 0 TO 999;
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK = '1' AND EN = '1' THEN
IF CNT < 999 THEN CNT := CNT + 1;
ELSE CNT := 0;
END IF;
END IF;
IF CNT = 999 THEN COUT <= '1';
ELSE COUT <= '0';
END IF;
D0 <= CNT/100;
D1 <= CNT/10 - (CNT/100)*10;
D2 <= CNT REM 10; END PROCESS;
END ARCHITECTURE RT1;

我们利用CNT这个变量来保存计数器当前的数据,每当时钟上升沿该变量自加。当变量达到上限,即将溢出信号置为高电平。D0、D1、D2则用除余法输出每一位的数据。



这是根据该模块生成的RTL预览图。

  • 软件思路总结

    通过上面的RTL顶层预览图,可以分析

    生成的数字电路所占用的位宽为10位

    利用了两个除法器,一个取余器

    为了实现这些器件,该数字电路所占用的资源多

    每次输出均会通过除法器等器件,速度较慢。

  • 硬件思路

    若是用硬件实现该电路,首先需要实现一个十进制计数器,代码如下

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY CNT10 IS
PORT (
CLK : IN STD_LOGIC ;
EN : IN STD_LOGIC ;
DOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 );
COUT : OUT STD_LOGIC
);
END ENTITY CNT10; ARCHITECTURE RT1 OF CNT10 IS BEGIN
PROCESS ( CLK )
VARIABLE CNT : STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 );
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK = '1' AND EN = '1' THEN
IF CNT < 9 THEN CNT := CNT + 1;
ELSE CNT := "0000";
END IF;
END IF;
IF CNT = 9 THEN COUT <= '1';
ELSE COUT <= '0';
END IF;
DOUT <= CNT ;
END PROCESS;
END ARCHITECTURE RT1;

一个十进制计数器代表最终数据的进位,通过计数器的级联,最终实现1k十进制计数器。而说到十进制计数器的级联方式,又有了两种选择

一个是异步级联,一级计数器的溢出信号直接当作下一级的时钟信号使用。

一个是同步级联,本级溢出信号与本级使能信号作为下一级的使能信号,所有时钟共用同一个时钟信号。

  • 异步级联



    这是异步级连的部分示意图。但是由于实际电路一级一级时钟信号会出现损耗,且溢出信号会有延迟,在级数增多的情况下,延迟被放大,信号的损耗也导致不能支持更多的计数器,从而致使整个数字电路系统出现不稳定的情况。
  • 同步级联





    同步级联的原理如上。

    本级溢出信号与本级使能信号作为下级使能信号,且多个计数器利用同一时钟信号。由于使用同一时钟信号,上面异步级联所遇到的信号削弱问题就得到了解决,且由于是驱动的使能端,每一级的延迟不会得到积累,且该延迟也不会影响下一个时钟上升沿的下一级计数器的计数行为。故利用这种同步级联的多级计数器可靠性较高。

  • 硬件思路总结

    下面来总结下硬件设计思路设计出的数字电路的特点。

    单个十进制计数器的RTL预览图如图



    而本工程利用了三个十进制计数器

    可推得其位宽为3*4 = 12位

    这个数字电路不包含除法器

    每次输出为计数器直接输出,无需处理,速度快。

  • 总结



    通过不同级联方法形成数字电路的分析,可以发现,不同的设计,虽然实现的功能相同,但其可靠性、延展性可能会有不同



    同样,利用VHDL编程以不同的思路来实现同样的功能,其利用的资源,计算的速度也是有差别的。

    VHDL本身的灵活性决定了其拥有多样化实现方案。通过学习积累实际的案例并加以总结,掌握其中的套路,根据需求和资源,选择合适的实现方案。

    由于对FPGA研究较浅,理解可能有不全面的地方,若有异议,欢迎前来讨论。

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