VHDL开发系统在HDPLD研制的应用

方育红

摘要：本文介绍了VHDL应用开发系统所具备的功能及特点，本文还总结了项目研制过程中的技术考虑

关键词：VHDL;CPLD/FPGA器件;可编程逻辑器件;ASIC芯

1 系统研究的目的和意义

随着CMOS技术的日趋成熟和EDA技术的逐步完善，数字系统的设计理论和方法产生了较大的变革。一种基于VHDL硬件描述语言的，建立在HDPLD基础上ASIC芯片的设计和开发在国际上，特别是在少数发达国家，被越来越多的人关注和采用。目前，密度达数百万门以上的HDPLD芯片已面市，一些支持更高行为描述级别（如系统芯片级）VHDL综合器和实现工具相继研制开发成功，这些都为本项目的研制提供了坚实的技术基础。

该平台是采用VHDL的方法来研制、开发ASIC芯片。应用VHDL的方法根本克服了传统设计方法的不足，例如设计和制作过程复杂、耗时、设计成本较高，设计不易修改且很难重复利用以前的设计模块，设计文档不易交流等。由于VHDL描述语言的丰富语言结构，使数字系统的设计变得简单，易于实现和易于修改，从而使设计时间和设计成本都大为降低。由于VHDL的结构化、层次化的特征，多个设计人员可同时开发、设计同一任务，因此特别适合大型系统的设计与开发。

2 系统提供的功能及特点

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，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

图1：设计实例功能仿真图

3 项目开发过程的技术考虑

项目工作初期我们集中于对XILINX和LATTICE公司的器件及开发工具展开剖析，而后我们又对ALTERA公司的器件与开发工具进行了大量的分析，通过比较研究最后我们认为利用ALTERA公司的器件与开发工具为基础进行设计实现较好。

以ALTERA公司的MAX7000S系列器件为例，我们主要是基于下列技术考虑：

（1）宏单元相同的情况下，MAX7000S系列器件I/O引脚更多，且支持JTAG方式，速度更快。

（2）支持器件的垂直移植（vertical migration）。

MAX7000S系列器件的垂直移植特性是指在同一产品系列中提供引脚完全兼容和包装相同的不同密度，不同速度，不同工作环境，不同成本的多种器件供用户根据自己的系统特定要求选择。

（3）密度更高。

ALTERA公司积极采用最先进的集成电路制造技术，使得器件的密度与同类产品相比更高，因此在同类产品中价格更底。如1992年ALTERA公司采用0.8微米双层金属工艺（0.8-micron Dual-layer Metal Process），1997年ALTERA公司采用0.5微米三层金属工艺，1998年ALTERA公司采用0.35微米四层金属工艺，且用于EPM7000S产品的生产，而当时同类产品XILINX公司的XC9500则采用0.6微米双层金属工艺。对MAX7000S系列器件与LATTICE公司的ispLSI2000系列器件进行比较，可见MAX7000S系列器件单位成本内可提供更多的宏单元。

（4）ALTERA公司提供了更开放的开发工具MAX+PLUSII，它和其他第三方开发工具之间具有更良好的接口性。

（5）我们对相同宏单元的MAX7128S和XC95108两种芯片在两种模式即工作模式和静态模式下的功耗作了比较，发现两种工作模式下XC95108的功耗都大于MAX7128S。

（6）从各公司提供的数据手册可见，在编程时间方面， ALTERA公司的MAX 7000S系列产品优于XILINX公司的同类XC9500系列产品。

（7）通过对各公司器件的性能及价格的比较，同时考虑国内片源供应方面的问题，ALTERA公司的系列器件较之其他公司的产品更易获得且价格较便宜。

（8）系统功能在线升级。

利用ISP（in system programming）提供的现场可编程功能，可低成本的升级系统功能，有利于开发产品早日上市。

（9）采用ISP技术与采用非ISP技术比较所体现的优点为：与PCB（printed circuit board，印制电路版）同步设计，不需功能模块芯片库存，简化装配过程，节省产品成本及设计时间。

（10）器件使用率。

通过统计实验表明，完成相同的逻辑功能XILINX公司的XC95108比ALTERA公司的MAX7000S系列器件EPM7128S多用7%的宏单元。

（11）编程方法。

通过比较各公司对编程方式的支持情况，MAX7000S系列器件可被更多的编程方式支持。

4  结束语

目前，我国许多电子工程师已掌握了传统的基于微处理器系統的开发手段，编写汇编程序，利用开发系统进行仿真来调试汇编程序和接口信号。在这一基础上，如果掌握一些常用的主流EDA开发工具，了解复杂数字系统的设计思路并能主动深入地学习和使用VHDL语言，不但能设计出具有自己知识产权的微控制器和线路板，甚至能设计出几万门甚至几百万门的专用数字信号处理芯片和片上系统。本项目的研制成功也为我国电子工业的进步作了一点微薄的贡献，在下一轮的项目产品化开发过程中，我们将集中精力从高等院校电子设计实验室建设着手，用本项目的具体研制成果“ASIC（VHDL）应用开发系统”来武装高等院校电子设计实验室，从教育的角度力争为我国电子工业早日赶上国际先进水平做出贡献。

参考文献：

[1]林明权等编著，VHDL数字控制系统设计范例[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]任晓东等编著，CPLD/FPGA高级应用开发指南[M].北京：电子工业出版社，2003.