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1、用CPLD产生光纤通信中的基带信号北京石油化工学院 信息工程学院邮编 102617摘 要随着光纤通信和计算机技术的不断发展，与计算机相连的光纤传输通信已逐渐显示出其重要地位。我们需要利用计算机灵活高速的信息处理能力和存储记忆能力，使通信方式由模拟通信方式向数字通信乃至数据通信转化，并要求处于不同地理位置的计算机系统之间能够交换信息，共享资源。所以，通信与计算机的密切结合，是电子技术领域中一个必然的发展趋势。本文在回顾光纤通信发展历史的基础上,简要介绍了可编程逻辑器件与VHDL语言的结构及特点，采用MAX+PLUS作为电路设计的工具，根据波形特点进行电路设计、搭建、编译、仿真，并使用硬件描述语言
2、进行电路设计。关键词: CPLD, VHDL, MAX+PLUS, 光纤通信, 伪随机码序列Produce the Baseband Signal of Optic Fiber Communication by CPLDSong YoucaiInformation Engineering College，Beijing Institute of Petrol-Chemical TechnologyPostcode 102617 ABSTRACTWith the durative development of optic fiber communication and computer tech
3、nology, the implementation on optic fiber communication that links with computer reveals increasingly its important position. We need to utilize the information processing ability and store memory ability of the computer in flexible high speed so that we can transform communication ways to the digit
4、al communication and even data communication from the way of analogue communication, and require to exchange the information and share resource between the computer systems of different geographical position. So, the close combination between communication and computer is the necessary trend in tech
5、nological field of electronics.On the basis of reviewing the developing history of fiber optic communication, this text briefly introduces the Programmable Logic Device and the structure and characteristics of VHDL, according to the wave form characteristics, and adopts MAX+PLUS design environment t
6、o design circuit and put up, compile, carry out, etc. Moreover, this text makes use of the Hardware Description Language to design circuit.Keyword: CPLD, VHDL, MAX+PLUS, Optic Fiber Communication, Pseudorandom Bit Sequences 目录1 绪论11.1 引言11.2 通信系统的组成11.2.1 通信的含义11.2.2 通信系统的一般模型11.3 光纤通信介绍21.3.1 光纤通信的
7、基本概念21.3.2 光纤通信的主要特点21.3.3 光纤通信的发展趋势31.4 光纤通信系统的基本组成41.5 计算机与通信的结合51.6 本设计采用的光纤通信实验箱介绍51.6.1 总体介绍51.6.2 实验电路工作原理52 可编程逻辑器件的发展及概述72.1 引言72.2 可编程逻辑器件的结构与工作原理72.3 CPLD/FPGA的比较与选择72.4 CPLD/FPGA的优势82.5 国内外研究现状93 VHDL简介103.1 引言103.2 VHDL的特点103.3 VHDL程序基本结构113.4 VHDL的设计流程134 信号产生电路154.1 32kHz方波信号的产生154.1.1
8、 计数器74161芯片介绍154.1.2 32k方波信号产生电路及输出波形164.2 8kHz的窄脉冲成形信号的产生174.2.1 脉冲信号基础174.2.2 8kHz的窄脉冲成形信号产生电路及输出波形184.3 伪随机序列码信号的产生184.3.1 随机序列码的特性184.3.2 伪随机序列的产生194.3.3 m序列产生器的结构204.3.4 伪随机序列码信号产生电路及输出波形214.3.5 伪随机序列码信号产生电路说明21附录 信号波形的CPLD实现及仿真22结束语24致谢25参考文献26IV 用CPLD产生光纤通信中的基带信号1 绪论1.1 引言在现实生活中，人类为了生存和发展常常需要
9、把信息从一个地方传送到另一个地方，我们将这种信息的传递称为通信。近年来，以光波为载波、光纤作为传输媒质的光纤通信发展十分迅速，它作为现代通信的主要传输手段，在现代电信网中起着重要作用，已成为IT产业的支柱。1.2 通信系统的组成1.2.1 通信的含义从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换。人民可以用语言、文字、数据或图像等不同的形式来表达信息。但是这些语言、文字、数据或图像本身不是信息而是消息，信息是消息中所含的人们原来不知而待知的内容。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息。否则，就失去了通信的意义。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。实现通信的方式很多，随
10、着社会的需求、生产力的发展和科学技术的进步，目前的通信越来越依赖利用“电”来传递消息的电通信方式。由于电通信迅速、准确、可靠且不受随机、地点、距离的限制，因而近百年来得到了迅速的发展和广泛的应用。当今，在自然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般均是指“电通信”。广义来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波。1.2.2 通信系统的一般模型通信是从一地向另一地传递和交换信息。实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的模型可用下图来描述。信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机
11、等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号
12、的影响。噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道中引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括接触多路复用，实现正确分路。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源图1.1 通信系统的一般模型如图概括地描述了一个通信系统的组成，
13、它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。根据研究的对象以及所关注的问题不同，如图模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信模型。1.3 光纤通信介绍1.3.1 光纤通信的基本概念所谓光纤通信，是指利用光导纤维（简称为光纤）传输光波信号的一种通信方式。光波是属于电磁波的范畴。其中，紫外线、可见光、红外线都属于光波。光纤通信是工作在近红外区，即波长是0.8-1.8微米，对应的频率为167-375THz。在1867年，麦克斯韦就证实了光是一种电磁波。电磁波是电波和磁波的结合。当磁场发生变化时，会产生磁通量变化成比例的电场；反过来，电场变化也会产生相应的变化
14、磁场。光的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律实现的。光导纤维是属于介质光波导的范畴，目前实用的光纤的基础材料是二氧化硅，利用这种介质纤维光波信号的通信方式，就是光纤通信。1.3.2 光纤通信的主要特点1.光纤通信的主要优点（1）容许频带很宽，传输容量很大；（2）传输损耗小，中继距离很长且误码率很小；（3）抗电磁干扰能力强；（4）体积小、重量轻；（5）泄露小、保密性能好；（6）节约金属材料，有利于资源合理使用。2.光纤通信与电通信的比较 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300T
15、Hz)比微波(波长为0.1mm1mm)的频率(3300GHz)高3个数量级以上。光纤通信用的近红外光(波长为0.7m1.7m)的频带宽度约为200THz，在常用的1.31m和1.55m两个波长窗口频率宽度也在20THz以上。 光纤通信中起主导作用的是激光器和光纤，半导体激光器的发光面积很小，它能输出功率稳定而且方向性极好的激光，激光可以运载巨大的信息量。光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中进行传输的导波结构。它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃构成。由于其损耗低，所以适于长距离传输。微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和波导管。同轴电缆的损耗随信号频率平方根的增大而增大，要减小损
16、耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又不允许增大结构尺寸。波导管具有比同轴电缆更低的损耗，但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一模式的传输，损耗仍然很大。光纤是由绝缘的石英材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。1.3.3 光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势，可以通过以下几个方面展望：1.为了实现越来越大的信息容量和长距离传输，必须使用低损耗和低色散的单模光纤。目前在通信网光缆线路中广泛使用的是G652常规单模光纤，这种光纤对于1.55微米波长，虽然损耗很小，但色散值较大，约为18ps(nm*km),因此，可以说常规单模光纤运用在
17、1.55微米波长时，传输性能不理想。如果将零色散波长从1.31移位至1.55微米时，称为色散位移光纤(DSF)，但这种光纤与掺饵光纤放大器(EDFA)运用在波分复用系统(WDM)中时，会由于光纤的非线性而产生四波混频，妨碍WDM的正常运用，这就意味着，光纤色散为零对WDM不利。为了使光纤通信技术顺利地运用到波分复用系统中，应该减小光纤色散，但不允许为零，因此，设计的新型单模光纤称为非零色散光纤(WDM)，它在1.54-1.56微米范围内色散值可保持在1.0-4.0ps/(nm*km),避开了零色散区，但又保持了较小的色散值。利用NZDF的EDFA/MDM传输系统，已有不少事例作过公开报道。2.
18、光纤通信系统所用光子器件，近年来也有明显发展。为了适应WDM系统的需要，近年来开始研制多波长光源器件，它主要是把多路激光管排成阵列，连同一个星形耦合器制成混合集成光组件。对于光纤通信系统的接收端机，它的光电检测器和前置放大器，主要是向高速率或宽频带响应发展，PIN光电二极管经过改进仍可符合要求，对于长波长1.55微米能够检测的3dB频率带宽可达到78GHz。FET的前置放大器有可能被高子迁移率晶体管(HEMT)代替，有报道介绍，MSM检测器HEMT前置放大的光电子集成(OEIC)工艺组成1.55微米光电接收机的频带带宽为38GHz，预计可达到60GHz。3.光纤通信系统中的以点到点的PDH系统
19、已不能适应现代电信网的发展，因此，光纤通信向联网化发展已成为必然趋势。SDH是以联网为基本特征的一种全新的传输网机制，它是将复接、线路传输及交换功能集为一体，并具有强大的网络管理能力的综合信息网，目前正得到广泛应用。光纤接入网作为电信网的一部分，直接面向用户，通过光纤到大楼(FTTB)光纤到路边(FTTC)光纤到家庭(FTTH)等手段，为用户提供各种业务。随着用户对数据通信需求的快速增长，光纤接入网是当前重要的研究课题，有望FTTH早日实现。1.4 光纤通信系统的基本组成一个典型的点点光纤通信系统(如下图所示)主要包括收发信电端机、光发送接收端机、传输光纤等几部分。从光发送机到光接收机是光信息
20、的传输通道，称为光信道，其任务是把信息可靠有效地从始端传送到终端。各部分的作用如下： 信 源信源编码信道编码 调 制TDM信源解码 解 调信道解码解TDM信 源 信 道光纤将数字信号频谱搬移到较高速率的光波信号频率上, 以便传输将信息码元按照一定的规律重新排列，减少误差多路数字信号进行时间分割复用，提高信道的利用率A/D转换，将模拟信号转化为数字信号并编码图1.2 点点光纤通信系统构成框图PCM电端机光端机PCM电端机光端机（1）PCM电端机需传输的信息信号包括话音、图像及计算机数据等，电端机就是常规电通信中的载波机、图像设备及计算机等终端设备。对数字通信来说，信号在电端机内要进行A/D及D/
21、A转换，变换成数字信号。（2）光发送机包括光源(LD或LED)及其驱动电路，电端机来的电信号经编码后调制光源，产生载有信息的光信号，完成电光(E/O)转换。（3）传输光纤或电缆将光源发射的光信号传送到原出的接收端，它可以是多模光纤或单模光纤。（4）光接收机完成光电(O/E)转换。接收的光信号由光检测器转换成电信号，然后放大解调、判决再生，送入电端机恢复出原信号。1.5 计算机与通信的结合计算机本来是用于数值计算的，后来增加了具有文字信息处理功能的信息处理设备，又连接成网络，作为信息通信与处理的末端起着非常重要的作用。无疑目前的公共通信的线路交换工作都是由计算机进行控制的。移动电话等新的通信方式
22、的交换工作也是如此，都要借助大型储存器和转送的功能，每时每刻记忆着用户的信息。现代的通信业务，如果没有计算机是不能完成的。通信的根本目的是发出信息传输信息接受信息，早期的计算机系统是高度集中的 ,所有设备安装在同一间房子里。因此计算机与通信结合仅局限于计算机房中各个互联设备之间的通信，显然这种方式中，计算机和通信是分开进行的。随着计算机技术和通信技术的发展，从通信技术发展的角度来看，需要利用计算机灵活高速的信息处理能力和存储记忆能力，使通信方式由模拟通信方式向数字通信乃至数据通信转化 ,以提高通信系统综合性能，改善通信系统的服务质量。从计算机应用的广泛与深入的角度出发，要求处于不同地理位置的计
23、算机系统之间能够交换信息 ,共享资源 ,以至协同工作。由此可见 ,计算机与通信技术相结合,是时代发展的要求,也是电子技术领域中一个必然的发展趋势。采用计算机网络通信，不仅大大提高了通信线路的利用率，改善了通信质量，而且为实现全数字化宽频带多媒体信息的高速传输及计算机电视电话的三合一奠定了基础。1.6 本设计采用的光纤通信实验箱介绍1.6.1 总体介绍本实验系统根据光纤通信系统原理的主要知识点进行实验，结合光纤技术、电子技术和可编程器件技术，针对光纤通信系统的典型应用可进行多项实验或示教。实验系统由以下7个部分单元电路组成：CPLD可编程器件模拟接口单元数字接口单元信号处理单元光发端机单元光接收
24、机单元光纤信道传输单元。1.6.2 实验电路工作原理光纤通信实验系统中需要用道各种信号，除了不同频率、不同脉冲宽度的时钟信号、同步脉冲信号以外，还有正弦波、方波、伪随机序列码、CMI码、PCM码等测试信号，本实验要求参加实验者了解这些信号的产生方法、工作原理以及测量方法，并可通过CPLD可编程器件的二次开发生成这些信号，理论联系实际，提高实际操作能力。模拟接口电路收信号处理单元模拟接口电路半导体光检测器半导体光源光收端机光发端机发信号处理单元数字接口电路ST型光纤连接器数字接口电路CPLD可编程器件 图1.3 实验系统方框图1. 电路组成：信号发生器电路的功能是供给各实验系统的各种时钟信号、测
25、试信号和其他有用信号，它由以下电路组成：CPLD可编程器件Xilinx公司的XC95108随机序列码产生电路、正弦信号发生器电路、外加模拟与数字信号输入电路、CMI编码电路、模拟电话与数字电话输入电路、误码测试输入/输出电路和解码电路。2. 电路工作原理： CPLD可编程器件Xilinx公司的XC95108，如图是可编程信号发生器管脚定义图：XC951088脚 4脚 5脚 9脚 7脚 3脚 2048KHz主频时钟64KHz方波8KHz窄脉冲32KHz伪随机码 CMI码32KHz方波TP01TP02TP03TP04TP05TP06图1.4 XC95108可编程信号发生器管脚定义图 62 可编程逻
26、辑器件的发展及概述2.1 引言当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程
27、逻辑器件(CPLD)。2.2 可编程逻辑器件的结构与工作原理I/O互连矩阵I/OLBLBLBLBLBLBLBLB 图2.1 CPLD结构原理CPLD从概念上讲是由多个类似于PAL(可编程阵列逻辑)的逻辑功能块组成，PAL可以提供很高的速度。CPLD中这些逻辑块通过位于中心的互连矩阵连接在一起，如图2-1所示。逻辑块包括乘积项阵列、乘积项分配和宏单元。互连矩阵要将来自I/O的信号和逻辑块的输出布线到器件内任何逻辑块的输入，一般互连矩阵有两种形式:基于阵列的互连。CPLD的主要缺点是功耗大，15000门以上的CPLD功耗要高于FPGA，门阵列和分立元件。2.3 CPLD/FPGA的比较与选择 CP
28、LD和FPGA在结构上的不同点主要表现在以下几个方面：（1） 逻辑块逻辑块是PLD器件中按结构划分的模块，它有相对独立的组合逻辑阵列，块与块之间通过互连系统进行联系。FPGA的逻辑块是CLB，其特点是扇入小，输入变量为4-9，输出变量为1-2，每个芯片中有几十到上千个这样的普通的逻辑单元;CPLD中的逻辑块扇入较大，通常有数十个输入端和一二十个输出端，每个芯片成几块或十几块。因此，CPLD粗大的分块结构在使用时不如FPGA灵活。（2） 逻辑块间的互连方式CPLD的逻辑块互连是集总式的开关元件，其特点是等延时，任意两个逻辑块之间的延时是相等的。而FPGA的互连是分布式的，其延时与系统布局有关，如
29、图2-2中，从A到C的互连延时将大于A到B的互连延时。（3） 配置方式FPGA的配置信息常存放在外部存储器(ROM)，故需外加ROM芯片，其保密性较差，而CPLD通常是采用EPROM, E2 PROM、逆熔丝等，一般不需要外加ROM。另外，FPGA可实现动态重构，而CPLD则不行。 通常数字逻辑系统分为控制密集型和数据密集型两大类。控制密集型也称为逻辑密集型，如高速缓存控制、DRAM控制、DMA控制，它们仅需要较少的数据处理能力，但逻辑关系一般都较复杂。数据密集型需要大量的数据处理能力，其应用多见于通信领域。因此，根据以上CPLD与FPGA在结构原理方面的主要差别，可以从速度与性能、逻辑利用率
30、、使用方便、编程技术等几个方面综合考虑选择合适的可编程逻辑器件。（4）速度与性能 数据密集型系统中的每个单元所需的输入端较少，逻辑相对简单，对逻辑块输入端的需求较少，用FPGA实现，可能只需一组CLB便可实现。而FPGA的CLB尺寸小，延时也很小，因而可获得高的单元速度。而控制密集型系统通常是输入密集型的，逻辑复杂，CLB的输入端往往不够用，需要把多个CLB串联起来，这样就使延时的时间成倍的增长，系统速度急剧下降，但是采用CPLD来实现，在大多数情况下都只需一级延时，因而可能获得较高的速度。 在互连速度方面也是如此用FPGA实现数据密集型系统，因所需级数少，可将相关数据密排在一起，使互连线段短
31、，有利于系统性能提高。而对逻辑密集型系统，由于其逻辑关系复杂，若选用CPLD，因其延时与逻辑关系无关，故可提高其性能。 （5）逻辑利用率 逻辑利用率是指器件中资源被利用的程度。CPLD逻辑能力强而寄存器少，而FPGA逻辑能力较弱而寄存器丰富，这正好与控制密集型系统和数据密集型系统相对应。因此从逻辑利用率角度来看，FPGA有利于数据密集型系统，CPLD有利于控制密集型系统。 （6）使用方便性在可预测性方面，CPLD优于FPGA。对CPLD通常只要输入/输出端口数、内部门和触发器数目不超过芯片的资源，并有一定的富裕量，总是可以实现的，而延时时间也大体可以估计出来。对FPGA则较难预测，因为完成设计
32、所需的逻辑级数事前无法确定，特别是对于系统的速度更是无法估计的，而且不同的布局其延时变化较大，只有靠试验才能得到满意结果。2.4 CPLD/FPGA的优势基于EDA技术的CPLD/FPGA器件的开发应用可以从根本上解决SCM所遇到的问题。与SCM相比，CPLD/FPGA的优势是多方面的和根本性的:(1)编程方式简便、先进CPLD/FPGA产品越来越多地采用了先进的在系统配置编程方式。在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的CPLD/FPGA进行全部或部分地在系统编程，并可进行所谓菊花链式多芯片串行编程，对于SRAM结构的FPGA，其下载编程次数几乎没有限制。(2)高速CPLD/FPGA的时
33、钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。(3)高可靠性除了不存在SCM所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。(4)开发工具和设计语言标准化，开发周期短由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系，使得设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号的CPLD/FPGA，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。(5)功能强大，应用广阔目前，CPLD/FP
34、GA可供选择范围很大，可根据不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。(6)易学易用，开发便捷CPLD/FPGA应用的学习不需太多的预备知识，只要具有通常的数字电路和计算机编程基础知识，就足以在短期内掌握基本的设计方法和开发技巧。2.5 国内外研究现状随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，CPLD/FPGA已经应用于很多领域。在通信方面，CPLD器件已经成功地应用在高速信号处理系统、超高速数据采集系统、通信接口芯片、各种滤波器等电路设计中。在国防、航天领域，也有许多方面应用了CPLD。在飞机动力综合测试系统中，测量飞机启动发电性能参数方面，应用
35、CPLD实现键盘接口;雷达测距机中采用CPLD器件实现了数据处理和测距机主回路两大部分; CPLD还应用在激光雷达图像采集处理系统、雷达信号分选处理系统中。在我国，CPLD器件已大量应用到产品的研制和最终产品中，在降低产品成本的基础上极大地缩短了产品上市时间，产生了巨大的经济效益。 3 VHDL简介3.1 引言在电子电路设计领域中，设计自动化工具已经被广大电子工程师所接受，它必将取代人工设计方法，成为主要的设计手段。目前，VHDL已经成为各家EDA工具和集成电路厂商所普遍认同和共同推广的标淮化硬件描述语言。硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）是一种形
36、式化方法来描述数字电路和实际数字逻辑系统的语言，主要用来描述离散电子系统的结构和行为。硬件描述语言自从1962年诞生以来，以逐步发展成为可以用于描述复杂设计的语言。与软件描述语言的发展相似硬件描述语言经历了从机器码（晶体管和焊接）到汇编语言（网表）再到高级语言（硬件描述语言）的一系列过程。HDL的设计方式一般有三种：自顶向下设计、自底向上设计和平坦式设计。其中广泛使用的是自顶向下的设计方式。这种设计处理方式要求将设计划分成不同的功能块，每个功能块具有专门定义的输入和输出，并执行专门的逻辑功能。进入80年代后期，硬件描述语言向着标准化的方向发展。VHDL语言是目前业内使用的主要语言，在1987年
37、IEEE标准。3.2 VHDL的特点VHDL是一种标准化的硬件描述语言，已经大量出现在各公司的商业电子设计自动化(EDA)系统中、众多的CAD厂商也在使自己新开发的电子设计软件能够与VHDL兼容。由此可见，使用VHDL进行硬件电路设计是电子设计技术的大势所趋。一种硬件描述语言能够成为标准并获得广泛应用，必然具有很多与其他硬件描述语言不同的特点。下面就介绍一下VHDL与其他硬件描述语言相比，所具有的特点。功能强大、设计灵活VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可成为直接生成电路级描述。VHDL还支持同步电路、异步电路
38、和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，也支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，也支持层次化设计。支持广泛、易于修改由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数的EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用莫定了基础。目前许多公司都提供了VHDL开发工具，其中既包括了一些像Cadence、Mentor Graphics和Synopsys等大型EDA公司，也包括一些专门领域的公司，例如ModelTechnology。VHDL开发工具主要包括VHDL模拟器和VHDL综合器，由于VHDL是IEEE标准
39、，因此所有的VHDL模拟器都必须支持IEEE标准；对于VHDL综合器来说，目前还没有一个标准来指明可综合的子集，因此各个综合器所支持的子集差别很大。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构模块化，所以易于修改设计。强大的系统硬件描述能力VHDL之所以得到广泛的应用，与其强大的系统硬件描述能力是分不开的。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可描述系统级，又可以描述门级电路。描述形式既可采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，可以准确地建立硬件电路模型。VHDL一个突出的特点是具有丰富
40、的数据类型，即可以支持预定义的数据类型，也可以自己定义数据类型。这样便给硬件描述带来了较大的自由度，使设计人员能够方便地使用VHDL创建高层次的系统模型。同时在VHDL中定义了函数和过程的概念，这有助于设计人员更好地组织描述，写出性能极佳的源代码。独立于器件的设计，与工艺无关当设计人员用VHDL进行硬件电路设计时，并不需要首先考虑选择完成设计的器件。设计人员可以集中精力进行设计的优化，不需要考虑其他问题。当一个设计描述完成以后，可以用多种不向的器件结构来实现其功能：当一个设计描述用VHDL模拟器和VHDL综合器进行充编译、模拟和综合后，就可以来用不同的映射工具将设计映射到不同的工艺上去。映射成
41、不同的工艺，只需要改变相应的映射工具，而尤需修改设计描述。具有很强的移植能力用VHDL进行硬件电路设计时，允许设计者用VHDL模拟器对要进行综合的设计描述进行模拟。这样可以在硬件设计早期发现设计中存在的问题，以便在设计实现之前纠正错误，节省人力和物力，缩短产品开发周期。由于VHDL是一种标准化的硬件描述语言，因此同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能：VHDL的可移植能力主要体现在：对于同一个设计描述，它可以从一个模拟工具移植到另一个模拟工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台去执行。我们可以看出，某个VHDL源代码可以用任一模拟工
42、具进行模拟；进行综合时也可以选样任综合工具进行综合，体现了VHDL强大的移植能力。易于共享与复用VHDL采用基于库(Library)的设计方法。在设计过程中，可以建立各种可再次利用的模块，一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计，而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放在库中，就可以在以后的设计中进行复用。由于VHDL是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。3.3 VHDL程序基本结构一个VHDL程序包含实体(Entity)、
43、结构体(Architecture)、配置(Configuration)、包集合(Package)和库(Library) 5个部分。1.实体 实体是一个VHDL程序的基本单元，简单的可以是一个与门(AND Gate)，复杂点的可以是一个系统。但是，不管是简单的数字电路，还是复杂的数字电路，其基本构成是一致的。都由实体说明和结构体两部分组成。在层次化系统设计中，实体说明用于描述设计系统的外部接口信号;结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程或者系统组织结构形式。2.结构体 结构体是一个基本设计单元的实体，具体指明了该设计单元的行为、元件及内部的连接关系，也就是说它定义了设计单元具体的功能。结构体对其基本设计单元的输入输出关系可以用3种方式描述，即行为描述(基本设计单元的数学模型描述)、寄存器传输描述(数据流描述)和结构描述(逻辑元件连接描述)。不同的描述方式，其描述语句不同，而结构体的结构是完全一样的。一个电路系统的程序设计只有一个实体，可以有多个结构体。系统设计中的实体提供该设计系统的公共信息，结构体定义了各个模块内的操作特性。一个设计实体至少包含一个结构体或多个结构体，构成