FPGA学习：VHDL设计灵活性&不同设计思路比较

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。