基于VHDL的地铁自动售票系统设计Word格式文档下载.docx

1、例如，现在微机中使用的显卡、网卡、数字电视等都是专用的ASIC芯片。采用ASIC设计的不足之处是一次性的投资大，设计周期一般比较长，不便于以后修改设计，因而近几年在ASIC领域出现了一种半定制电路，即现场可编程逻辑器件FPLD。目前使用较多的可编程逻辑器是现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）和复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable gate array）。 早期使用的可编程器件有PROM、EPROM、E2PROM、PAL、GAL等，这些芯片的容量一般比较小，只能完成简单的数字逻辑功能，这些器件基本上是使用专用的编程

2、器进行装载。CPLD和FPGA的芯片是在早期使用的PAL和GAL基础上发展起来的，相比早期的可编程器件，现场可编程逻辑器件FPLD的容量大，器件的容量远远大于PAL和GAL，更适合做时序和组合逻辑电路的设计，不但集成度高，而且逐渐向低功耗发展，芯片的使用电压有+5V、+3.3V和+2.5 V几种，有的芯片外部是+5V而内部的工作电压则是+3.3V或+2.5V。现在市场上FPLD的品种很多，使用较多的是Altera、Xilinx和Lattice这3个公司的产品，各公司都有不同型号的CPLD和FPGA产品，例如，Xilinx的XC系列；Altera的EPLD系列、FPGA系列；Lattice的is

3、pLSI、ispGAL等。由于各个公司的 FPLD结构不同，使用的装载电缆线是不一样的，设计软件也不同，但共同的特点是：现场可编程逻辑器件FPLD都可以在系统进行编程加载程序，不需要使用专用的编程器，它们都是直接将实验系统和计算机的并行口连接，通过运行软件对芯片进行装载，在实验室中就可将大量的数字电路设计集成到一个大芯片中，实现系统的微型化和可靠性。目前工程设计人员通常都采用这种方法进行电路设计。1CPLD或EPLD芯片 这类器件的使用特点是：芯片一经上电加载即已完成编程，不必在每次上电时重新进行加载，也就是当程序烧入芯片后，只有下一次需要再修改程序时才需要对芯片重新进行加载，否则将不会改变先

4、前所烧入的代码，类似于大的GAL芯片。例如，Lattice的ispGAL芯片可以在系统进行编程加载程序，也可以与该公司的ispLSI芯片在同一个电路中加载程序。CPLD在结构上主要由可编程逻辑宏单元LMC（logic macro cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC的逻辑结构比较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可以由用户根据设计的需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。2FPGA芯片 这类器件不像CPLD或EPLD，每次上电使用时不管是否改变程序都要对芯片进行加载。现在FPGA芯片的容量一般比CPLD或EPLD的容量要大得多，更适合于做较大系统的复杂设计。FPGA芯片通

5、常包含3类可编程资源：可编程的逻辑功能块、可编程I/O块和可编程的内部互连。可编程的逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排成一个阵列，遍布于整个芯片中；可编程I/O块完成芯片上的逻辑与外部封装管脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程的内部互连包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。 Xilinx的XC系列器件采用的是现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列是一种类似门阵列的结构，它的基本单元以阵列的形式排列在芯片上，但它不像门阵列那样由连线掩膜确定其最终的逻辑功能，而是将规则的连线阵列也已做好，其逻辑功能由各连线

6、节点的控制开关的通断来确定。这些节点的控制开关的值有各种不同的控制方法，如静态随机存储器控制（SRAM）、反熔丝（antifuse based）控制以及由快闪烁存储器（Flash）控制等几大类。 SRAM控制的FPGA器件是用静态随机存储器中存储的数值来控制芯片中可编程节点的通断，以实现芯片的设计功能。这种FPGA在使用时，需要在系统加电时首先进行功能初始化，将存储器的内容加载到芯片的控制器中。反熔丝控制的FPGA器件是用反熔丝单元来控制可编程器件内的可编程节点的通断，使芯片中每一部分具有应有的逻辑功能，以实现器件的设计功能。反熔丝单元是一个被动的两端器件，通常情况下处于开路状态，在施加充足的

7、电压后，能够永久地导通。用于现场可编程器件的反熔丝其占用芯片面积非常小，速度也很高，这方面的性能几乎可以与门阵列相比。但这种FPGA在编程时需要专用的编程设备，而且芯片功能一经编程确定后，不能再修改，反熔丝控制的FPGA器件价格最低。 Flash控制的FPGA器件是用快闪烁存储器的数值来控制FPGA节点的通断，实现现场可编程目的。这种FPGA的工作特性与SRAM-FPGA相似，但与SRAM-FPGA相比，它的单元面积小。由于Flash具有不挥发性，使用时不必在每次上电时都重新进行功能加载，所以使用是很方便的。1.2 设计方法的发展 传统的手工设计方法一般是根据系统的要求，首先画出系统的硬件流程

8、图，再根据功能划分成不同的模块，设计过程一般从底层开始，先要选择具体的元器件，用所选择的元器件进行各功能模块的逻辑电路设计，手工画出一张张的电路原理图，根据原理图制作印刷电路板，每个功能模块都调试通过后，再把各个模块连接起来进行系统的调试。对整个系统的仿真、调试只能在完成硬件设计以后才能进行，系统设计中的问题在调试的后期才能发现，如果出现设计中没有考虑到的问题，就要再从底层重新设计，这样的设计周期一般较长。设计结果是若干张的电路原理图和信号的连接表，如果是一个大的系统，将是一大摞图纸，以后系统出现问题，查找修改起来都不直观。 上述过程是从底层开始，并在已有的功能模块的基础上来搭建高层次的模块直

9、至整个系统。因此这种电子系统的传统的设计方法称为是自底至上（bottom-up）的设计。这里的底指的是设计树的末枝，设计过程必须从存在的基本单元模块出发，基本单元模块必须是已经设计成熟的单元，也可采用其他项目已开发好的标准单元。 由于电子器件的更新换代，在现代数字系统设计中，现场可编程器件FPGA和CPLD的使用越来越广泛，与此同时基于大规模可编程逻辑器件的EDA（electronic design automation）硬件解决方案（EDA solution）也被广泛采用。这使得电子电路的设计方法也发生了根本性的变化，出现了电子电路设计自动化。 计算机应用的普及，自然产生了计算机辅助设计（C

10、AD）。最早的电子CAD软件仅仅是一些绘图软件，包括绘制电路原理图、绘制印刷电路板图、绘制集成电路芯片板图以及一些简单的数值计算等。当出现了自动设计、验证和自动布局布线工具后，这类软件称之为第一代的EDA软件。后来又出现了第二代的EDA软件，它包括逻辑综合、仿真以及“自顶向下”的设计等。近年来又出现了第三代的EDA软件，称为电子系统设计自动化EsDA，可以通过概念输入（框图、公式等）自动生成各种设计结果，包括ASIC芯片设计结果、电路原理图、PCB板图以及软件等，并且可以进行机电一体化设计。与传统的设计方法不同，现代电子工程师们设计系统的过程是首先描述系统，然后用EDA工具在计算机上进行系统级

11、仿真，设计适合自己用的ASIC芯片，用通用和专用芯片构成系统，进行功能模拟和带时延的仿真，布PCB板，对PCB板进行仿真，最终生产调试成功。 EDA，即电子设计自动化。所谓自动化是指利用计算机完成电子系统设计，现在已经逐渐成为电子系统的主要设计手段，尤其是采用可编程器件和软件仿真模拟方法的使用，给传统的电路设计方法带来了重大的变革，它使得设计工程师们从繁杂而零乱的工作中解放出来，而把着眼点放在电路的设计上，是一种节省时间而又高效率的现代设计理念。EDA技术以计算机为工具，设计者只需要完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件进行处理，代替人来完成数字系统的逻辑综合、仿真模拟和布局布线等工作。其中

12、模拟硬件电路在实际工作时的时序关系是相当重要的，因为系统设计上的错误通过仿真模拟波形时就可以发现，而不是等到线路板调试时才发现错误，即使是在线路板调试时又发现错误，在外部连接线已经固定的情况下，只要对内部的软件设计进行改进，就可达到修改设计方案的目的，这种方法比起传统的电路设计方法进步多了，修改设计如同修改软件一样方便。 当今的硬件设计方法有几大优点：一是设计方法由手工设计变为自动设计，可以大大提高设计效率和设计质量，缩短设计周期；二是在系统设计和各个过程中可分别进行仿真，保证了设计的正确性，使得设计能够一次成功；三是能够根据实际需要来自行设计ASIC芯片。可编程逻辑器件和EDA技术给硬件系统

13、设计者提供了强有力的工具。如今，只要拥有一台计算机、一套相应的EDA软件和空白的可编程器件芯片，在实验室就可以完成数字系统的设计与生产。可以说，当今的数字系统设计离不开可编程器件和EDA设计工具。1.3 层次化的设计与VHDL的应用1.自顶向下（top-down）的设计方式 一般来说，EDA解决方案是一种采用计算机自顶向下（top-down）的设计方式。这里的顶指的是设计树的树根，按照数字系统的功能描述，把系统划分为若干个功能模块，然后再把每个模块划分为不同的层次，由高层次到低层次逐步细化。这样的设计过程称之为自顶向下的设计方式。在底层设计时对逻辑进行必要的描述，并依赖特定的软件执行逻辑优化（

14、logic optimization）与器件映射（device mapping），自顶向下设计的特点是每一层次划分时都要对某些目标进行优化，这些目标包括工作速度、芯片面积和芯片成本等。最后再使用由各芯片生产厂商提供的编译器执行布线（route）和网单优化（netlist optimization）。而直接采用原始逻辑图或布尔方程输入进行电路设计虽然对于简单的逻辑可以获得非常有效的结果。但是对于复杂的系统设计，应用它们就很容易产生错误，而必须依靠一种高层的逻辑输入方式，这样就产生了硬件描述语言HDL（hardware description language）。所谓硬件描述语言，就是对实际的硬件

15、设计用语言的方式来描述，能够把复杂的电路设计用形象化的语言方式表示出来，可以描述硬件电路的功能，信号连接关系以及定时关系的语言，它能比电路原理图更能有效地表示电路的特征。利用硬件描述语言编程来表示逻辑器件及系统硬件的功能和行为，是该设计方法的一个重要特征。 硬件描述语言有HDL、AHDL、Verilog HDL和VHDL等。VHDL语言的全称是“超高速集成电路硬件描述语言”（very high speed integrated circuit hardware description language）属于硬件描述语言中的一种，对系统硬件的描述功能很强而语法规范又比较简单。 其中符合IEEE-

16、1076标准的VHDL的应用成为EDA解决方案中的首选。VHDL这种行为描述性语言将被广泛应用到新一代EDA硬件设计方案中，因此对VHDL的应用成为EDA解决方案的核心，更是整个电子逻辑系统设计的核心。2VHDL语言的应用 VHDL语言源于美国政府于1980年开始启动的超高速集成电路（very high speed integrated circuits，vHSIC）计划。在这一计划的执行过程中，专家们认识到需要有一种标准的语言来描述集成电路的结构和功能。这样，vHSIC的硬件描述语言（vHSIC hardware description language），即VHDL诞生了。很快，这一标准被

17、美国电气和电子工程师协会（IEEE）所承认。 VHDL语言作为高级硬件行为描述型语言，如今已经广泛被应用到FPGA/CPLD和ASIC中的设计。严格地讲，VHDL是一种用来描述数字逻辑系统的“编程语言”。它通过对硬件行为的直接描述来实现对硬件的物理实现，代表了当今硬件设计的发展方向。VHDL是为了满足逻辑设计过程中的各种需求而设计的。 第一，它是可以用来描述逻辑设计的结构，比如逻辑设计中有多少个子逻辑，而这些子逻辑又是如何连接的。除此之外，VHDL并不十分关心一个具体逻辑依靠何种方式实现，而是把开发者的精力集中到逻辑所实现的功能上。 第二，VHDL采用类似高级语言的语句格式完成对硬件行为的描述

18、，具备更强的模块化能力，并拥有良好的可读性以及程序的移植性。另外，VHDL淡化状态机，与或表达式等早一代硬件描述语言中的元素，用更类似于高级语言的表达式取代。这些也是为什么把VHDL称为“编程语言”的原因。 第三，VHDL给出逻辑的模拟与调试为设计工作提供了最大的空间。VHDL调试的过程是相当灵活的：一方面可以使用传统的调试方法，比如适用传统的波形激励或编写测试向量；另一方面，可以使用一些VHDL原码调试器，这类调试器可以大大加快VHDL程序调试的速度，因为它可以像调试软件一样单步跟踪调试每一条语句，并且可以设置断点，观察内部变量等。这些功能是传统的调试仿真方法所不具备的。这种调试器比较著名的

19、有Aldec的Active-HDL。拥有高效率的生成代码，能够节省大量的资源。甚至不必编写任何测试向量便可以进行源代码级的调试。而且，设计者可以非常方便地比较各种方案之间的可行性及其优劣而不需做任何实际的电路实验。 鉴于VHDL具有以上诸多优点，只要开发者具备一定的高级语言程序设计基础，拥有Pascal、C等计算机高级语言的基础，同时又了解一些基本数字电路的设计方法，在此基础上来学习VHDL程序设计应该是比较容易的，可以轻松地掌握VHDL使硬件工作软件化。现代电子系统设计人员应该把VHDL语言作为一种基础知识来学习，并要求能够熟练地使用EDA的设计工具。 在EDA解决方案中应用VHDL有助于缩

20、短数字系统的开发周期。但还应该注意，除了靠编写VHDL程序简化逻辑之外，还需要选择合理的HDL synthesis。不同公司的HDL synthesis所支持的语法并不相同，而且生成的代码效率也不同。经实验对比，相同的程序经过不同的编译器编译，芯片资源的消耗相差高达10%。另外，由于知识产权和专利保护问题，目前国际上尚无统一的集成化开发工具可以完成从逻辑输入到下载所需的全部工作，这也给VHDL在EDA解决方案中的广泛应用带来了一定的困难。但是总的来讲，广大厂商均遵循VHDL87这一通用标准并互相提供良好的软件接口，在某种程度上可以缓解该矛盾。随着VHDL93标准的广泛应用以及第二代可编程逻辑器

21、件的推出，VHDL必将在未来的EDA解决方案中发挥不可替代的作用。1.4 本课题的提出与意义 就目前而言，实现地铁自动售票系统的控制方法很多，可以用可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。而FPGA（Field Programmable Gate Array）是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。同时，与之相配套的VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Desc

22、ription Language）语言，是一种用来描述数字逻辑系统的编程语言，采用类似高级语言的语句格式完成对硬件行为的描述。VHDL的优越性，成为现在硬件设计师的首选语言。此外，兼容VHDL语言的软件也越来越多，也越来越实用。MAX+PLUS II正是其中的佼佼者。MAX+PLUS II（Multiple Array Matrix and Programmable Logic User System）是美国Altera公司自行设计的一种软件工具，它具有原理图输入和文本输入（采用硬件描述语言）两种输入手段，利用该工具所配备的编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能，将设计电路图或电路描述程序变成

23、基本的逻辑单元写入到可编程的芯片中（如FPGA芯片），即可做成ASIC芯片。 本课题正是基于以上现状提出的，有着重要的意义。1.5 本课题研究内容 本课题的主要研究目标是针对于地铁自动售票系统的核心控制部分进行研究和设计，主要内容包括： 1.首先对于目前比较流行的电路设计的VHDL语言进行了相关介绍.主要介绍了:VHDL的起源,VHDL语言的特点,VHDL的设计流程,以及VHDL程序的基本结构. 2.其次介绍了不Altera公司推出的第三代PLD开发系统MAX+PLUS II.主要包括: MAX+PLUS II开发系统的特点, MAX+PLUS II开发系统的功能以及MAX+PLUS II的设

24、计过程. 3.最后对于地铁自动售票系统的核心控制部分的功能进行分析,采用状态机的设计方法，运用VHDL语言编程并进行了相关波形仿真,通过仿真验证了地铁售票系统的控制部分功能的正确性. 在上述工作中,对地铁售票系统核心控制部分的设计以及运用VHDL语言编程所进行的逻辑设计和仿真是本论文的主要工作。 第二章 VHDL语言介绍2.1什么是VHDL VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为ANSI/IEEE的标准

25、（IEEE STD 1076-1987）。1993年更进一步修订，变得更加完备，成为ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993标准。现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言. 在新的世纪中,VHDL和Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务. VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主

26、要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。2.2 VHDL语言的特点 VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，覆盖面广，抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。 VHDL的主要特点有：1作为硬件描述语言的第一个国际标准，VHDL具有很强的可移植性。2具有丰富的模拟仿真语句和库函数，随时可对设计进行仿真模拟，因而能将设计中逻辑上的错误消灭在组装之前，在大系统的设计早期就

27、能查验设计系统功能的可行性。3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，从而缩短设计周期。4VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。5支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。6对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动地把VHDL描述设计转变成门级网表。7VHDL用源代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活又方便，同时也便于设计结果的交流、保存和重用。2.3 VHDL的设计流程 应用VHDL语言进行电子设计，首先要了解基本的设计流程。在EDA解决方案中采用VHDL要经过的流程如图2.1所示。 从图2.1可以看出，在分析系统指标后，就

28、进入了设计阶段，首先是设计输入，可以采用的输入方式有VHDL语言、VHDL语言与逻辑图混合输入或采用逻辑图输入，这一步通常都使用芯片生产商提供的开发工具，有关这方面的内容将在后面介绍。接下来是对所输入的源文件进行编译，即HDL Synthesis。通常称为合成或逻辑合成，这一步通常由三个过程组成，分别是HDL语言合成（language synthesis或HDL compilation）、逻辑优化（optimization）、目标映射（technology mapping）。前两个过程很好理解，最后一步是为了适应不同公司的编译器而生成EDIF（electronic design interch

29、ange format）的中间文件，也有的生成AHDL、DSL、QDIF、XNF等内部网单描述文件。有些公司的软件自带编译器，而也有些公司的软件不带编译器，这时需要使用第三方软件,比较著名的有Exemplar 公司的Leonardo Spectrum 和Synplicity 公司的Synplify等。一般这类工具都采用Behavior Extracting Synthesis Technology（B.E.S.T.）和Synthesis Constraints Optimization Environment（SCOPE），这两种技术可以提高VHDL逻辑合成的效率和可靠性。另外，这类工具在生成

30、EDIF文件的同时还生成VHDL格式的网单，可以用于对逻辑功能调试（functional simulator）。这里的逻辑功能调试也就是图中的功能仿真，这是在芯片装载程序前的功能仿真模拟，它仅仅验证逻辑的正确性。在一般的EDA解决方案中，这一步一般采用编写测试向量或加激励波形的方法，只能对逻辑的输出信号进行模拟，而对于一些重要的内部信号则无能为力了。在采用VHDL后可以借助HDL Synthesis生成的VHDL格式的内部网单使用一些特殊的调试器对VHDL源程序进行类似于高级语言调试的单步跟踪调试。这样不仅可以观察重要的内部信号，而且可以清楚地看到程序执行的流程。一般还要经过时序模拟（timing simulatior）也就是图2.1中的时序分析，在这里可以对电路的工作频率、工作延时做定性的模拟，虽然这