1、引言

　　電子產(chǎn)品隨著技術(shù)的進(jìn)步，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。EDAI'輝lectronicDesignAutomatic)技術(shù)的應(yīng)用很好地適應(yīng)了這一特點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)和編程，由可編程邏輯器件CPLD/FPGAn-構(gòu)成的數(shù)字電路，取代了常規(guī)的組合和時(shí)序邏輯電路，實(shí)現(xiàn)了單片化，使體積、重量、功耗減小，提高了可靠性。

　　目前EDA技術(shù)在一般的數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，它將成為今后電子設(shè)計(jì)的主流。VHDL語(yǔ)言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。VHDL語(yǔ)言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門(mén)級(jí)電路，其高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用;設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)從文本編輯、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時(shí)序仿真到編程整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。下面介紹如何在美國(guó)ALTERA公司的MAX+PLUSH平臺(tái)上應(yīng)用VHDL實(shí)現(xiàn)串行加法器。

　　2、串行加法器設(shè)計(jì)原理

　　多位串行加法器的工作原理閻是從位開(kāi)始逐位相加并向高位進(jìn)位，基于這個(gè)原理，采用移位加法實(shí)現(xiàn)串行加法器。設(shè)兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)A=a-tart...ao和B=b.-,b,^...bo，兩者相加產(chǎn)生的和SUM=S-lS-:...So，其工作原理如圖1所示，由三個(gè)移位寄存器和一個(gè)加法器有限狀態(tài)機(jī)組成，其中三個(gè)寄存器用來(lái)存放A,B和Sum數(shù)據(jù)。其工作原理是，假定輸人移位寄存器有并行加載功能，首先把A,B的值加載到寄存器，然后在每一個(gè)時(shí)鐘周期，通過(guò)加法器有限狀態(tài)機(jī)將相應(yīng)的一位相加，在時(shí)鐘周期的結(jié)尾處將這一位相加結(jié)果移到Sum寄存器。三個(gè)寄存器都采用同步正邊沿觸發(fā)器，所有變化都在時(shí)鐘正邊沿之后很快發(fā)生，這時(shí)三個(gè)寄存器的內(nèi)容都向右移，將已得到的和位移到Sum，并把兩個(gè)加數(shù)寄存器的下一個(gè)位a與b:送給加法器有限狀態(tài)機(jī)。

   加法器有限狀態(tài)機(jī)的工作原理:由兩個(gè)狀態(tài)M和N分別表示進(jìn)位值0和10狀態(tài)圖如圖2所示，采用有限狀態(tài)機(jī)的Mealy模型。由于每一位   相加，都是由全加器構(gòu)成的，因此根據(jù)狀態(tài)圖可寫(xiě)出次態(tài)全加器的邏輯表達(dá)式:

Y=ab+ay+by

s=a+b+y

　　其中y為進(jìn)位輸人，a和b為兩個(gè)輸人數(shù)據(jù)，Y為進(jìn)位輸出，s為全加器的和。串行加法器可以實(shí)現(xiàn)任意位數(shù)據(jù)加法的簡(jiǎn)單電路。

　　3、基于VHDL串行加法器的實(shí)現(xiàn)

　　串行加法器的VHDL描述由移位寄存器和加法器有限狀態(tài)機(jī)組成?？梢园岩莆患拇嫫髯鳛橐粋€(gè)子電路，在主程序中可以多次調(diào)用。

　　3.1移位寄存器實(shí)現(xiàn)

　　下面是4位移位寄存器的VHDL代碼，采用FOR LOOP結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，源程序如下:

　　LIBRARYIEEE;

　　USEIEEE.STD-LOGIC-1164.ALL;

　　ENTITYshiftIS GENERIC(n:INTEGER:=4);

　　PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0);

　　1,e,w:INSTD-LOGIC;

　　clk:INSTD_LOGIC;

　　q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));

　　ENDshift;

　　ARCHITECTUREbehaOFshiftIS

　　BEGIN

　　PROCESS

　　BEGIN

　　WATTUNTILclk'EVENTANDclk='1';

　　IFe='1'THEN

　　IF1='l'THEN

　　q=r,

　　ELSE

　　gebit:FORiIN0TOn-2LOOP

　　q(i)=q(i+l);

　　END LOOP;

　　q(n-1)=w;

　　ENDIF;

　　ENDIF;

　　ENDPROCESS;

　　ENDbeha;

　　若要實(shí)現(xiàn)更多位移位寄存器，則只要修改n值即可。程序中r是輸人信號(hào)，clk是時(shí)鐘信號(hào)，e是使能端。當(dāng)1='1’時(shí)對(duì)移位寄存器并行加載，卜'0’時(shí)，寄存器處于右移狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)從輸人端w移人寄存器的位。仿真結(jié)果如圖3所示。

　　3.2串行加法器的VHDL設(shè)計(jì)

　　八位串行加法器VHDL代碼如下:

　　LIBRARYIEEE;

　　USEIEEE.STDLOGIC-1164.ALL;

　　ENTITY adderIS

　　GENERIC(length:INTEGER:=8);

　　PORT(erset:INSTDLOGIC;

　　clk:INSTD-LOGIC;

　　a,b:INSTD-LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);

　　co:outSTD-LOGIC;

　　sum:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(length一1DOWNTO0));

　　ENDadder;

　　ARCHITECTUREbehaOFadderIS COMPONENTshift

　　GENERIC(n:INTEGER:=4);

　　PORT(r:INSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO1,e,w:INSTD-LOGIC;

　　elk:INSTD-LOGIC;

　　q:BUFFERSTD-LOGIC-VECTOR(n-1DOWNTO0));

　　ENDCOMPONENT;

　　SIGNALga,gb,null-in:STD_LOGIC-VECTOR(length-1DOWNTO0);

　　SIGNALs,low,high,run:STD-LOGIC;

　　SIGNALcount:INTEGERRANGE0TOlength;

　　TYPEstate-typeIS(M,N);

　　SIGNALy:state-type;

　　BEGIN

　　low='0';

　　high二，1';

　　shiftA:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(a,erset,high,low,clk,ga);

　　shiftB:shiftGENERICMAP(n=>length)PORTMAP(b,reset,high,low,clk,gb);

　　adderFSM:PROCESS(erset,clk)BEGIN

　　IFerset='l'THEN

　　y=M;

　　ELSIFelk'EVENTANDclk='1'THEN

　　CASEyIS

　　WHENM=>IF(qa(0)，1'ANDqb(0)='1')THENy=N;

　　ELSE

　　y=M;

　　ENDIF;

　　WHENN=>

　　IF(ga(0)='0'ANDqb(0)='0')THENy-M;

　　ELSE

　　y=N;

　　ENDIF;

　　ENDCASE;

　　ENDIF;

　　ENDPROCESSadderFSM;

　　WITHySELECT

　　s-ga(0)XORqb(0)WHENM,

　　NOT(ga(0)XORqb(0))WHENN;

　　Null_in二(OTHERS=>'0');

　　shiftsum:shiftGENERICMAP(n=>length)

　　PORTMAP(nulin,erset,run,s,clk,sum);

　　stop:PROCESS

　　BEGIN

　　WAITUNTIL(elk'EVENTANDclk='1');

　　IFerset='1'THEN

　　count=length;

　　E,ISIFrun='l'THEN

　　count=count-1;

　　ENDIF;

　　ENDPROCESS;

　　run='0'WHENcount-OELSE'1';

　　co一out:PROCESS

　　BEGIN

　　WAITUNTIL(clk-EVENTANDclk='1');

　　IFy=MTHEN

　　co=，0';

　　EISE

　　co=，1';

　　ENDIF;

　　ENDPROCESScoout;

　　ENDbeha;

　　程序中采用三個(gè)進(jìn)程描述:adderFSM進(jìn)程描述加法器有限狀態(tài)機(jī);stop進(jìn)程描述減法計(jì)數(shù)器，用來(lái)決定加法器什么時(shí)候由于n位所要求的和出現(xiàn)在輸出移位寄存器而停止;co-out描述進(jìn)位co輸出。

　　程序經(jīng)Max+PlusII中的Compiler編譯，再通過(guò)Simulator和Timinganalyzer工具分別進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，其中reset是輸人控制端，clk是時(shí)鐘信號(hào),a和b是輸人數(shù)據(jù)，sum是和數(shù)，co是進(jìn)位，y表示有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。仿真正確后，可通過(guò)計(jì)算機(jī)并口上的Byteblaster電纜將生成的配置文件直接到芯片MAXEPM7128SLC84-15進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際相符。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)串行加法器VHDL設(shè)計(jì)表明，VHDL在邏輯電路的設(shè)計(jì)中具有以下優(yōu)點(diǎn):

　　(1)VHDL語(yǔ)言硬件描述能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)方法靈活;(2)設(shè)計(jì)者只需掌握VHDL語(yǔ)言及相關(guān)EDA設(shè)計(jì)軟件的使用，而不需考慮較多的硬件結(jié)構(gòu)就可以設(shè)計(jì)所需要的數(shù)字系統(tǒng);(3)隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行仿真，查驗(yàn)系統(tǒng)功能;(4)程序可移植性強(qiáng)、易于修改;因此，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，作為當(dāng)代電子設(shè)計(jì)人員，HDL已成為設(shè)計(jì)數(shù)字硬件時(shí)常用的一種重要手段。