VHDL 硬件描述语言在数字电路设计中的应用研究

张东莹

（南京技师学院，江苏南京，210023）

在数字电子技术应用进程中，数字电路逐渐以集成电路为主要表现形式，对电路设计提供了较高要求。在逻辑器具有编程能力时，数字电路设计形式以硬件为运行环境，以计算机软件为电路设计的开发主体，有效提升了电子设计发展能力，使其具备自动化设计效果。在仿真设计方面，对硬件描述语言的应用，给予了较大认可，旨在缩短电子电路设计消耗时间，提升电路系统设计的应用性能。

1 VHDL 硬件描述语言应用特点

■1.1 基本结构

（1）库。在此项语言结构中，完成数据定义、语言应用说明、存储数据程序包等。

（2）实体。此项语言要素，针对电路外观给予语言描述，借助I/O 端口应用，不具备逻辑描述功能。

（3）结构体。此项语言要素，针对电路设计模块予以描述，描述的是模块所具备的逻辑功能，结构体应与实体形成关联体系，以此确定实体输入、信号输出之间形成的内在逻辑关系，便于电路设计实体能够兼容多组结构体。

■1.2 语言特点

（1）描述能力优异。VHDL 语言具有较强的描述能力，可描述的电路种类，具体包括门级、系统级。对其描述的同时，能够完成电路仿真设计，以此确定系统电路设计功能实现的可行性。

（2）较强的可移植性。在各类平台、仿真工具中，可使用相同的语言进行描述[1]。

■1.3 设计流程

VHDL 语言电路设计期间，应以电子系统为设计出发点，在顶层完成功能设计，继而对各功能模块逐一开展仿真设计，具体流程如图1 所示。

图1 VHDL 语言应用程序示意图

2 在数字电路设计中融合VHDL 硬件描述语言的应用实践

■2.1 单片机仿真设计

2.1.1 设计单片机的定时器模块

在定时器模块开展设计期间，应结合原有的设计理念，完成功能有效划分，保障裁剪操作的正确性。VHDL 语言借助寄存器的独特应用功能，比如控制管理进程、跟踪运行状态等，在信息传输作用下，达成远程控制的设计效果。控制项目、远程操作等功能设计，依托于定时器设计思想。语言融合在功能模块中，在信号输入时，能够重新配置定时器的各项数据，转化原有信号传输形式，使其形成具有标准性格式的信号，以此达成远程控制目标。

VHDL 语言设计期间，主要设计方向有三个：其一设计模块，在信号输出完成时，对信号采取转换措施，同时完成信号的完整存储；其二设计模块，有效采集脉冲输入模块的各项信息，便于生成控制信号，比如计数器、定时器；其三设计模块，让VHDL 语句作为控制信号的主要组成，借助两个控制信号，提升控制信息的运作能力，以信号差异性为主体，形成系统性定时器控制程序。

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2.1.2 设计单片机的UART 串口

（1）RAM 存储器，作为单片机数据存储的关键单元，同时能够依据程序堆栈区的实际情况，完成数据有效分类。在信息存储容量视角观之，CPU 与RAM 两个单元在设计期间，并未表现出较大差异。因此，保持RAM 存储单元与单片机接口处于有效连接状态，完成模块设计。

（2）ROM 单元功能是完成单片机参数固定控制，针对单片机存储数据加以分析。与RAM 相比时，此单元设计的关键表现在信息存储功能方面。ROM 单元在系统有序运行期间，能够调整信息存储位置、信息存储数量。一般情况下，如若存储信息不小于16 位，单片机将会以自动跳转形式完成存储。

（3）FIFO 单元设计，能够提升逻辑电路设计的精准性。FIFO 单元在设计期间，常用的设计形式为直接调取例化库元件形式，增强库元件电路设计能力，借助VHDL 语言完成相应调节，与功能模块形成联合体系，形成系统性语言设计效果。单片机系统中完成FIFO 单元连接，其逻辑电路、语言应用等设计，将会获得更高的应用灵活性，具备多样性应用性能。

2.1.3 设计单片机的数据转换器

数据转换器在单片机系统中具有较高应用频率，作为信息处理集中单元，能够有效整合各项数字化语言，使其形成多样化组合的信息模拟量。单片机系统中的分立元件，在应用与功能方面表现出优异的独立性。因此，在设计单片机系统中的数据转换器时，应强化功能独立应用特性，最大化发挥单片机的应用优势。转换器在设计期间，应在信息处理终端程序中完成信号输送，继而借助复位处理形式完成数据高效数据，将数据信息划分为两类，一类为工作信息，另一类为控制信息。工作与控制两类信息，在经由滤波器时，能够对信息应用性能加以判断，在确定数据真实性的基础上，系统将信息传输至CPU 管理程序中[2]。

■2.2 数字时钟仿真设计

数字电子时钟的电路设计，应用的是典型时序逻辑电路，在日常生活中获得了广泛应用。以VHDL 语言为基础，开展数字电子时钟的电路设计，设计成果具有较强的可移植优势，在共享与复用等方面具有较高应用便利。

数字时钟在仿真设计期间，应确定其功能模块，具体包括分频、计时、报时、显示四个单元。在设计仿真完成时，将会生成相应的模拟元件，模拟元件将会以底层文件形式，完成文件存储。借助元件例化语言，完成数字时钟整体程序的电路设计与编写。

(1)分频模块

针对输出信号开展分频处理，以此获取1Hz 输入信号。以分频器为基础，开展电路设计，是以计数器电路为主要设计形式，借助多级二进制计数器完成电路设计。分频倍数设定为100，开展至少三次分频操作，将会获得秒级时钟信号。

(2)计时模块

计时模块含有三个组成要素，分别为秒级计时单元、分钟计时单元、小时计时单元。秒与分两个计时单元，在对其设计计数器时，使用六十进制设计形式。小时计时器在电路设计期间，使用的算法为二十四进制。将三级计数器分别从输入逻辑电路中，形成秒、分钟、小时三个等级的计数形式，达成计时功能电路设计效果。秒级脉冲信号，传输至计数器时，将会获取秒、分钟、小时各级参数，包括个位、十位。

(3)报时模块

报时模块的作用在于，当时间为整点时，模块输入信号设定为min，其中min1、2 的取值均设定为00，alarm 报时时间输入形式为高电平，报时持续周期为1 分钟，alarm报时设定为整点时，将会在设定时间发出高电平，报时周期持续至min 值超过0，即报时时间将会持续一分钟。

(4)显示模块

使用数码管显示时间计数结果。

(5)系统整体设计

在各模块设计的文件，以底层文件形式完成存储，同时使用例化语句完成顶层程序设计，使用PORT MAP 语句，有序连接各模块引脚。

■2.3 时间控制器的仿真设计

软件环境选择为Quartus，编程语言确定为VHDL。在不改变原有时钟电路形态的同时，对其开展功能完善，以此达成各类作息时间的时钟提醒功能。

(1)设计理念

结合实际人群的作息习惯，设定个性化时间提示的作息控制器。在此程序设计中，提示功能、模式设计作为关键环节。借助VHDL 语言的编程优势，开展模块化程序编写设计，模块包括分频、时间优化、计数、显示。

(2)时间优化的模块设计

此模块主要完成计时功能的前期设定，以手动形式完成信号输入，在计时初期，调整计时器的最初状态。计时器具有固定式最大计时功能，即相比24 小时少1 秒。与此同时，能够手动完成时钟分秒级误差校准。如图2 所示，为优化电路设计示意图。此模块在设计期间，其单元组成包括非门、或门，或门为二选一。非门设计应用为：将低电压输入值以高电压形式完成输出。二选一或门的设计应用，旨在标准化电路运行状态中，完成时钟电路的手动操作[3]。

图2 时钟电路控制示意图

(3)显示模块设计

此模块在设计期间，其功能用于显示计数器输出信号的处理成果，借助各类编码在LED 数码管位置上，准确显示计时结果，以此提升计时结果显示的直观性。在显示模块中，设定引脚d[3..0]的功能为：有效接收计时器模块的传输信号。显示模块与计时器传输信号形成一一对应的关系，便于传输信号的准确接收。设定引脚h[6..0]的功能为：处理传输信号予以显示，将接收的计时器信号，编译成时间显示格式，显示在数码管区域，以此完成时钟显示模块设计。

3 结论

综上所述，VHDL 语言的有效应用，提升了数字电路设计效果，以较强的系统描述能力，在多级层次完成了数字系统电路设计，提升了电路设计系统的应用灵活性，缩短了电路设计所消耗的时候，增强了电路设计的应用能力。VHDL语言以系统应用为全局视角，具备较强的逻辑编辑能力，适用于电子工业行业，为数字电路设计行业发展奠定技术基础。