畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于VHDL語言的HDB3碼編解碼器設(shè)計(jì)

目錄引言11 緒論11.1可編程邏輯器件概述11.1.1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程11.1.2 可編程邏輯器件的特點(diǎn)21.1.3 可編程邏輯器件的一般設(shè)計(jì)流程41.1.4 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法61.2 VHDL語言概述71.2.1 VHDL語言介紹71.2.2語言特性、功能與特點(diǎn)71.2.3 TOP-DOWN的設(shè)計(jì)思想簡介81.3 Quartus II的介紹91.3.1 Quartus II的產(chǎn)生與發(fā)展91.3.2 Quartus II功能概論101.3.3 Quartus II的應(yīng)用102 HDB3碼介紹212.1 數(shù)字基帶信號212.2 NRZ，AMI，HDB3碼之間的對應(yīng)關(guān)系212.3 HDB3碼的編/譯碼規(guī)則223 用VHDL語言設(shè)計(jì)HDB3編碼器243.1 HDB3編碼器實(shí)現(xiàn)的基本原理243.2 HDB3編碼器的設(shè)計(jì)過程243.3 HDB3編碼器仿真波形304 用VHDL語言設(shè)計(jì)HDB3譯碼器314.1 HDB3解碼器實(shí)現(xiàn)的基本原理314.2 HDB3解碼器的設(shè)計(jì)過程324.3 HDB3解碼器仿真波形335總結(jié)355.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路小結(jié)355.2 畢設(shè)存在的問題及不足365.3 畢設(shè)后的感想36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄：基于VHDL語言的HDB3碼編/解碼器設(shè)計(jì)程序39摘要現(xiàn)代通信在技術(shù)一般的數(shù)字通信系統(tǒng)中首先將消息變?yōu)閿?shù)字基帶信號，稱為信源編碼，經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)行傳輸，在接收端先進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)為基帶信號，再進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換為消息。在實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有電波均能在信道中傳輸，因此有基帶信號的選擇問題，因此對碼型的設(shè)計(jì)和選擇需要符合一定的原則。HDB3（High Density Binary3）碼是AMI碼的一種改進(jìn)型。HDB3碼保持了AMI碼的優(yōu)點(diǎn)，克服了AMI碼在遇到連“0”長時(shí)難以提取定時(shí)信息的困難，因而獲得廣泛應(yīng)用。CCITT已建議把HDB3碼作為PCM終端設(shè)備一次群到三次群的接口碼型。我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是基于VHDL語言的HDB3編/解碼器的設(shè)計(jì)，它所要達(dá)到的要求就是能從軟件方面來實(shí)現(xiàn)HDB3編/解碼器的基本功能，并能協(xié)調(diào)整個(gè)設(shè)計(jì)，使之達(dá)到預(yù)想的要求。設(shè)計(jì)的核心部分是：在Quartus的軟件平臺上，用VHDL語言來完成HDB3編/解碼器的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)并將它們合為一個(gè)整體的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中所用到的知識主要是：對VHDL碼型基本原理和特性的認(rèn)識、對Quartus 軟件的熟練操作、對VHDL（超高速集成電路硬件描述語言）的掌握和應(yīng)用，這些知識都是進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的基本知識和能力，只有基礎(chǔ)知識和能力扎實(shí)了，才能更好的進(jìn)行更高層次的電子設(shè)計(jì)，所以這個(gè)設(shè)計(jì)也是對電子設(shè)計(jì)基本能力的很好的鍛練。關(guān)鍵字：現(xiàn)代通信 HDB3碼 模塊 VHDL Quartus 軟件 AbstractModern communication in general digital communication system in first will change the information into number word signal of base band, is called as letter source coding , transmit after passing modulation, in take over end advanced trip demodulation recovery is the signal of base band, it is news to carry out decode conversion again. In the actual transmission system of base band,its not all electric waves can transmit in channel , therefore have the option of the signal of base band problem, therefore for option and the design of pattern of sling-load, need to accord with certain principle. HDB3 ( High Density Binary 3 ) code is a kind of improvement of AMI code type. HDB3 code has maintained the advantage of AMI code, have surmounted AMI code in meet company the length of " 0 " is hard to draw the difficulty of timing information, thus get extensive application. CCITT had suggested that regard HDB3 code as PCM terminal equipment primary group to the interface pattern of sling-load of three crowd. So my major content of graduated design is designing based on the HDB3 volume / decoder of VHDL language , the requirement that it will reach is the basic skill that can realize HDB3 volume / decoder funcation in software can, and can coordinate entire design , make sure it reach the requirement that anticipated. The key part of my design is: In Quartus software platform on, complete the design of every modular of HDB3 volume / decoder with VHDL language ( modular include: Encoder and decoder) and will them suit for a overall system. The knowledge that used in design is mainly: It is for the knowledge of the VHDL basic principle and property of pattern of sling-load , for Quartus the skilled operation of software , for VHDL ( exceed the hardware of integrated circuit description language ) grasp and apply , these knowledges are the basic knowledge and ability that carries out electronic design , has only basic knowledge and has strong ability , talent is better to carry out the electronic design of higher level, so this design also is a very good exercise for electronic design basic ability. Keyword: Modern communication HDB3 code modular VHDL Quartu 41引言 現(xiàn)代通信借助于電和光來傳輸信息，數(shù)字終端產(chǎn)生的數(shù)字信息是以“1”和“0”2種代碼（狀態(tài)）位代表的隨機(jī)序列，他可以用不同形式的電信號表示，從而構(gòu)造不同形式的數(shù)字信號。在一般的數(shù)字通信系統(tǒng)中首先將消息變?yōu)閿?shù)字基帶信號，稱為信源編碼，經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)行傳輸，在接收端先進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)為基帶信號，再進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換為消息。在實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有電波均能在信道中傳輸，因此有基帶信號的選擇問題，因此對碼型的設(shè)計(jì)和選擇需要符合一定的原則?？紤]到當(dāng)數(shù)字信號進(jìn)行長距離傳輸時(shí)要求線路傳輸碼型的頻譜不含直流分量，并且只有很少的低頻分量和高頻分量。其次，傳輸碼型中應(yīng)含有定時(shí)時(shí)鐘信息，以利于收端定時(shí)時(shí)鐘的提取，在基帶傳輸系統(tǒng)中，定時(shí)信息是在接收端再生原始信息所必需的。再次，實(shí)際傳輸系統(tǒng)常希望在不中斷通信的前提下，能監(jiān)視誤碼，如果傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可以根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動(dòng)監(jiān)測，因此，傳輸碼型應(yīng)具有一定的誤碼檢測能力。當(dāng)然，對傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設(shè)備盡量簡單等要求，但以上的幾點(diǎn)是最主要的考慮因素。以上要求導(dǎo)致了HDB3碼的出現(xiàn)并獲廣泛應(yīng)用。HDB3碼因具有無直流成分，低頻成分少和連0個(gè)數(shù)最多不超過三個(gè)等明顯的優(yōu)點(diǎn)，對定時(shí)信號的恢復(fù)十分有利， CCITT已建議把HDB3碼作為PCM終端設(shè)備一次群到三次群的接口碼型。本設(shè)計(jì)就是用VHDL語言實(shí)現(xiàn)HDB3碼的編/解碼器功能?；赩HDL語言的HDB3碼編/解碼器設(shè)計(jì)1 緒論1.1可編程邏輯器件概述1.1.1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程從20世紀(jì)60年代開始，數(shù)字集成電路經(jīng)歷了小規(guī)模集成電路(SSI-SmallScale Interation，幾十到幾百門)，中規(guī)模集成電路(MSI-Medium ScaleIntegration，幾百到幾千門)，大規(guī)模集成電路(LSI-Large Scale Integration，幾千到幾萬門)，超大規(guī)模集成電路(VLSI-Very Large Scale Integration，幾百萬門以上)等幾個(gè)發(fā)展階段。在此期間先后出現(xiàn)了各種不同類型的數(shù)字集成電路，從大的方面可以將它們分為三種類型。1.標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件 即中小規(guī)模集成電路，如TTL工藝的54/74系列和CMOS工藝的CD4000系列的各種邏輯門，觸發(fā)器，譯碼器，多路轉(zhuǎn)換器，計(jì)數(shù)器和寄存器等邏輯器件就屬于這一類。 標(biāo)準(zhǔn)器件的生產(chǎn)批量大，成本低，價(jià)格便宜。由于其功能完全確定，版圖設(shè)計(jì)時(shí)可將精力投入到提高性能上，因此這種器件的工作速度一般都很快。它是傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的主要器件，但集成度不高,用它設(shè)計(jì)的系統(tǒng)器件多，功耗大，而且印刷電路版走線復(fù)雜，焊點(diǎn)多，致使系統(tǒng)的可靠性降低。應(yīng)為用戶無法修改這類器件的功能，使得修改設(shè)計(jì)時(shí)比較麻煩，改動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)器件往往就需要重新設(shè)計(jì)印刷電路。 2.由軟件配置的集成電路器件 20世紀(jì)70年代以后陸續(xù)推出了由軟件配置的微處理器(CPU)和單片機(jī)等邏輯器件，它們較好的彌補(bǔ)了上述標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的缺陷。這類器件集成度高，邏輯功能可由軟件自由配置，因而由它們構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)靈活性大大增強(qiáng)。但這類器件的工作速度比較底，不能直接用于速度要求特別嚴(yán)格的場合。另外，這類邏輯器件通常需要有若干標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件搭成的外圍電路才可以工作，所以硬件規(guī)模也較大。3.專用集成電路ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)ASIC的出現(xiàn)在一定程度上克服了上述兩種邏輯器件的某些缺點(diǎn)。ASIC是為了滿足一種或幾種特定功能而設(shè)計(jì)并制造的集成電路芯片，他的密度一般都很高，一片ASIC芯片就能取代一塊有若干中小規(guī)模集成電路芯片搭成的印刷電路板，甚至一個(gè)完整的數(shù)字電路系統(tǒng)也能用一片ASIC芯片實(shí)現(xiàn)。因此，使用ASIC能大大減小系統(tǒng)的硬件規(guī)模，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)可靠性，保密性和工作速度。 ASIC按制造方法又可分為全定制(Full Custom)產(chǎn)品，半定制(Semi-custom)產(chǎn)品和可編程邏輯器件(PLD)。(1)全定制產(chǎn)品 全定制的ASIC芯片的各層掩膜都是按特定的電路功能專門制造的。設(shè)計(jì)人員從晶體管的版圖尺寸，位置和互連線開始設(shè)計(jì)，以求達(dá)到芯片面積利用率高，速度快，功耗低的最優(yōu)性能。要經(jīng)過電路設(shè)計(jì)，邏輯模擬，版圖設(shè)計(jì)和集成電路的各道生產(chǎn)工序才能制造出符合要求的專用集成電路芯片。它的設(shè)計(jì)制作成本高，周期長，還帶有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，一旦設(shè)計(jì)失誤就會浪費(fèi)大量自己與設(shè)計(jì)時(shí)間，因此全定制的專用集成電路只在特大批量生產(chǎn)的情況下才適用。 (2) 半定制產(chǎn)品 半定制產(chǎn)品是一種約束性設(shè)計(jì)方式。約束的主要目的是簡化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期和提高芯片成品率。半定制ASIC芯片上的單元電路是由器件生產(chǎn)廠家預(yù)先作好的，只剩下金屬連接層的掩摸有待按用戶的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。母片通用性較強(qiáng)，可以大批量生產(chǎn)，因而成本較低。設(shè)計(jì)半定制ASIC芯片時(shí)，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求及所選母片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出連線版圖，在交器件生產(chǎn)廠家布金屬連接線。最常見的半定制ASIC有門陣列，門海和標(biāo)準(zhǔn)單元等。半定制ASIC與全定制ASIC相比，當(dāng)生產(chǎn)量不是很大時(shí)，它的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期較短，成本低，風(fēng)險(xiǎn)也小。 (3) 可編程邏輯器件 以上兩種ASIC的設(shè)計(jì)和制造都離不開器件生產(chǎn)廠家，用戶主動(dòng)性較差。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路芯片，并盡可能縮短設(shè)計(jì)周期，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就可以設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，在使用中也能比較方便的對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改?？删幊踢壿嬈骷褪菫榱藵M足這一需求應(yīng)運(yùn)而生的。 PLD芯片上的電路和金屬引線都是事先由器件生產(chǎn)廠家作好的，但其邏輯功能在出廠時(shí)并沒有確定，可由用戶根據(jù)需要借助于PLD開發(fā)工具通過對其“編程”的辦法來確定。因此設(shè)計(jì)師們不通過器件生產(chǎn)廠家就能自己設(shè)計(jì)出符合要求的各種ASIC芯片。PLD器件兼有邏輯器件速度快、微處理器靈活性好和定制與半定制ASIC集成度高的優(yōu)點(diǎn)，且大都可多次重復(fù)編程，為設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來很大方便，是實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字系統(tǒng)的理想器件。1.1.2 可編程邏輯器件的特點(diǎn)PLD的特點(diǎn)是在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)體現(xiàn)出來的，使用PLD設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)會帶來許多好處，歸結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)。（1） 集成度高PLD器件集成度高，一片PLD可代替幾片、幾十片乃至上百片中小規(guī)模的數(shù)字集成電路芯片。用PLD器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)用的芯片數(shù)量減少，占用印刷線路板面積小，整個(gè)系統(tǒng)的硬件規(guī)模明顯減小。例如，一個(gè)由2片“或”門74LS32、4片“與”門74LS08和4片D觸發(fā)器74LS74組成的電子游戲機(jī)控制電路，用1片GAL16V8即可代替。（2）可靠性好使用PLD器件減少了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的芯片數(shù)目，在印刷線路板上的引線以及焊接點(diǎn)數(shù)量也隨之減少，所以系統(tǒng)的可靠性得以提高。（3）工作速度快PLD器件的工作速度快，使用PLD后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的電路級數(shù)又少，因而整個(gè)系統(tǒng)的工作速度會得到提高。（4）提高系統(tǒng)的靈活性在系統(tǒng)的研制階段，由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或任務(wù)的變更而修改設(shè)計(jì)的事情經(jīng)常發(fā)生，使用不可編程的器件時(shí)，修改設(shè)計(jì)就要更換或增減器件，這是一件相當(dāng)麻煩的事，有時(shí)還不得不更換印刷線路板。使用PLD器件后情況就大為不同：由于PLD器件引腳比較靈活，又有可擦除可編程能力，因此對原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，只需要修改原設(shè)計(jì)文件再對PLD芯片重新編程即可，而不需要修改電路布局，更不需要重新加工印刷線路板，這就大大提高了系統(tǒng)的靈活性。（5）縮短設(shè)計(jì)周期PLD器件集成度高，使用時(shí)印刷線路板電路布局布線簡單；性能靈活，使用它修改設(shè)計(jì)方便；開發(fā)工具先進(jìn)，自動(dòng)化程度高。因此，使用PLD可大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品投放市場的速度，提高產(chǎn)品的競爭能力。（6）增加系統(tǒng)的保密性能很多PLD器件都具有加密功能，在系統(tǒng)中廣泛使用PLD期間可有效防止產(chǎn)品被他人非法仿制。（7）降低成本使用PLD器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果僅從器件本身的價(jià)格考慮，有時(shí)還看不出它的優(yōu)勢，但影響系統(tǒng)成本的因素是很多方面，綜合考慮，使用PLD的成本優(yōu)越性是很明顯的。首先，使用PLD器件修改設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)周期縮短，使系統(tǒng)的研制開發(fā)費(fèi)用降低；其次，使用PLD器件可使印刷線路板面積和需要的插件減少，從而使系統(tǒng)的制造費(fèi)用降低；再次，使用PLD器件能使系統(tǒng)的可靠性提高，維修工作量減少，進(jìn)而使系統(tǒng)的維修服務(wù)費(fèi)用降低?？傊?，使用PLD進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)能節(jié)約成本。1.1.3 可編程邏輯器件的一般設(shè)計(jì)流程可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)過程是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對器件進(jìn)行開發(fā)的過程。可編程邏輯器件的一般設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示，包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)輸入，功能仿真，設(shè)計(jì)處理，時(shí)序仿真和器件編程及測試等七個(gè)步驟。圖1-1 可編程邏輯器件的一般設(shè)計(jì)流程1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行的是方案論證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和器件選擇等準(zhǔn)備工作。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本及連線的可布性等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和合適的器件類型。一般采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。2設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)輸入是設(shè)計(jì)人員將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并送入計(jì)算機(jī)的過程。設(shè)計(jì)輸入通常有以下幾種形式： （1）原理圖輸入方式（2）HDL（硬件描述語言）輸入方式（3）波形輸入方式1）原理圖輸入方式原理圖輸入方式是一種最直接的設(shè)計(jì)描述方式，要設(shè)計(jì)什么，就從軟件系統(tǒng)提供的元件庫中調(diào)出來，畫出原理圖。這種方式要求設(shè)計(jì)人員有豐富的電路知識及對PLD的結(jié)構(gòu)比較熟悉。其主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)仿真，便于信號的觀察和電路的調(diào)整；缺點(diǎn)是效率低，特別是產(chǎn)品有所改動(dòng)，需要選用另外一個(gè)公司的PLD器件時(shí)，就需要重新輸入原理圖，而采用硬件描述語言輸入方式就不存在這個(gè)問題。 2）HDL（硬件描述語言）輸入方式硬件描述語言是用文本方式描述設(shè)計(jì)，它分為普通硬件描述語言和行為描述語言。普通硬件描述語言有ABEL、CUR和LFM等，它們支持邏輯方程。真值表、狀態(tài)機(jī)等邏輯表達(dá)方式，主要用于簡單PLD的設(shè)計(jì)輸入。行為描述語言是目前常用的高層硬件描述語言，主要有VHDL和 Verilog HDL兩個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)。其突出優(yōu)點(diǎn)有：語言與工藝的無關(guān)性，可以使設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證階段便確立方案的可行性；語言的公開可利用性，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率高，在不同的設(shè)計(jì)輸入庫之間的轉(zhuǎn)換非常方便，用不著對底層的電路和PLD結(jié)構(gòu)的熟悉。 3）波形輸入方式波形輸入方式主要是用來建立和編輯波形設(shè)計(jì)文件，以及輸入仿真向量和功能測試向量。3功能仿真功能仿真在編譯之前對用戶所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，此時(shí)的仿真沒有延時(shí)信息，僅對初步的功能進(jìn)行檢測。仿真前，要先利用波形編輯器和硬件描述語言等建立波形文件和測試向量（即將所關(guān)心的輸入信號組合成序列），仿真結(jié)果將會生成報(bào)告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號變化。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回設(shè)計(jì)輸入中修改邏輯設(shè)計(jì)。4設(shè)計(jì)處理 設(shè)計(jì)處理是器件設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)處理過程中，編譯軟件將對設(shè)計(jì)輸入文件進(jìn)行邏輯化簡、綜合優(yōu)化和適配，最后產(chǎn)生編程用的編程文件。 （1）語法檢查和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（2）邏輯優(yōu)化和綜合（3）適配和分割（4）布局和布線5時(shí)序仿真 時(shí)序仿真又稱后仿真或延時(shí)仿真。由于不同器件的內(nèi)部延時(shí)不一樣，不同的布局布線方案也給延時(shí)造成不同的影響，因此在設(shè)計(jì)處理以后，對系統(tǒng)和各模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，分析其時(shí)序關(guān)系，估計(jì)設(shè)計(jì)的性能，以及檢查和消除競爭冒險(xiǎn)等是非常有必要的。實(shí)際上這也是與實(shí)際器件工作情況基本相同的仿真。6器件編程測試時(shí)序仿真完成后，軟件就可產(chǎn)生供器件編程使用的數(shù)據(jù)文件。對EPLDCPLD來說，是產(chǎn)生熔絲圖文件，即 JED文件。對于FPGA來說，是產(chǎn)生位流數(shù)據(jù)文件（Bitstream Generation），然后將編程數(shù)據(jù)放到對應(yīng)的具體可編程器件中去。 器件編程需要滿足一定的條件，如編程電壓、編程時(shí)序和編程算法等。普通的EPLDCPLD器件和一次性編程的FPGA需要專用的編程器完成器件的編程工作?；赟RAM的FPGA可以由EPROM或其它存儲體進(jìn)行配置。在線可編程的PLD器件不需要專門的編程器，只要一根編程下載電纜就可以了。器件在編程完畢后，可以用編譯時(shí)產(chǎn)生的文件對器件進(jìn)行校驗(yàn)、加密等工作。對于支持JTAG技術(shù)，具有邊界掃描測試BST（Bandary-Scan Testing）能力和在線編程能力的器件來說，測試起來就更加方便。1.1.4 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是采用“自下而上”方法進(jìn)行，即由器件搭成電路板，由電路板搭成數(shù)字系統(tǒng)。系統(tǒng)常用的“積木塊”是固定功能的標(biāo)準(zhǔn)集成電路，如 74/54系列（TTL）、4000/4500系列（CMOS）芯片和一些固定功能的大規(guī)模集成電路。設(shè)計(jì)者根據(jù)需要選擇合適的器件，由器件組成電路板，最后完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能對電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)電路板來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 進(jìn)入到20世紀(jì)90年代以后， EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)的發(fā)展和普及給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了革命性的變化。在器件方面，可編程邏輯器件飛速發(fā)展。利用EDA工具，采用可編程邏輯器件，正在成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。采用可編程邏輯器件通過對器件內(nèi)部的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，是一種基于芯片的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要定義器件的內(nèi)部邏輯和管腳，將電路板設(shè)計(jì)的大部分工作放在芯片的設(shè)計(jì)中進(jìn)行，通過對芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能。靈活的內(nèi)部功能塊組合、管腳定義等，可大大減輕電路設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度，有效地增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性，提高工作效率。同時(shí)采用可編程邏輯器件，設(shè)計(jì)人員在實(shí)驗(yàn)室可反復(fù)編程，修改錯(cuò)誤，以期盡快開發(fā)產(chǎn)品，迅速占領(lǐng)市場?；谛酒脑O(shè)計(jì)方法可以減少芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。 采用可編程邏輯器件芯片和EDA軟件，在實(shí)驗(yàn)室里就可以完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)無芯片EDA公司，專業(yè)從事IP模塊生產(chǎn)。也可以實(shí)現(xiàn)無生產(chǎn)線集成電路設(shè)計(jì)公司的運(yùn)作?？梢哉f，當(dāng)今的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)離不開可編程邏輯器件和EDA設(shè)計(jì)工具。 1.2 VHDL語言概述1.2.1 VHDL語言介紹VHDL的全名是very-high-speed integrated circuit hardware description language，誕生與1982年。1987年底VHDL被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。自IEEE發(fā)布了HDL標(biāo)準(zhǔn)版本后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL實(shí)際環(huán)境，或宣布自己的程序可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進(jìn)行了修正，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力擴(kuò)展VHDL的內(nèi)容。現(xiàn)在，VHDL和VERILOG作為IEEE的工業(yè)硬件描述語言，又得到了眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言。 VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,及端口）和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。1.2.2語言特性、功能與特點(diǎn)聯(lián)性的語法和形式雖類似與一般程序語言，但是涵蓋許多與硬件關(guān)聯(lián)的語法構(gòu)造。其特有的層次性由上而下的結(jié)構(gòu)VHDL語言可描述一個(gè)數(shù)字電路的輸入，輸出以及相互之間的行為和功能。而其硬件關(guān)式語法結(jié)構(gòu)適合大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)合作。在主要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組件及相互間的連接方式?jīng)Q定以后，就能將工作分包下去，各自獨(dú)立進(jìn)行，例如使用主程序外的組件，函數(shù)以及程序內(nèi)的塊程序。1.支持多種電路與多種設(shè)計(jì)方法VHDL語言能夠支持自頂向下和基于庫的設(shè)計(jì)方法，支持組合邏輯電路，同步時(shí)序邏輯電路和異步時(shí)序邏輯電路等電路的設(shè)計(jì)，大多數(shù)EDA工具都支持VHDL語言。2.支持硬件電路的層次化描述VHDL語言具有支持多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的行為功能（數(shù)學(xué)模型）直到門級電路逐層進(jìn)行描述。另外，高層次的行為描述可以與底層次的寄存器描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用。3.能實(shí)現(xiàn)與工藝無關(guān)編程采用VHDL語言設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，當(dāng)門級或門級以上層次的描述通過仿真檢驗(yàn)以后，再用相應(yīng)的工具將設(shè)計(jì)映射成不同的工藝。在工藝更新時(shí)無須原設(shè)計(jì)程序，只需改變相應(yīng)的映射工具。由此可見，修改電路和修改工藝相互之間不會產(chǎn)生影響。4.易于共享和復(fù)用作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)的VHDL語言，語法嚴(yán)格，設(shè)計(jì)成果便于復(fù)用和交流。一個(gè)大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可能從門級電路開始逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是一些模塊電路的有機(jī)疊加。這些模塊電路可以預(yù)先設(shè)計(jì)或者使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊。這些模塊電路可以采用VHDL語言進(jìn)行描述且存放于庫中，便于在以后設(shè)計(jì)中復(fù)用。這樣可以減小數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，縮短開發(fā)周期。1.2.3 TOP-DOWN的設(shè)計(jì)思想簡介自上而下的設(shè)計(jì)方法，就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)計(jì)美容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)，其從總體行為設(shè)計(jì)開始到最終邏輯綜合，形成網(wǎng)絡(luò)表為止。在利用HDL的硬件設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)者將自上而下分為三個(gè)層次對系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （1）第一層次是行為描述。所謂行為描述，實(shí)質(zhì)上就是對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字模型的描述。一般來說，對系統(tǒng)進(jìn)行行為描述的目的是試圖在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，通過對系統(tǒng)行為描述的仿真來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題，并不真正考慮其實(shí)際的操作和算法用什么方法來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)行為描述程序仿真通過之后，說明模型是正確的，在此基礎(chǔ)上再改寫該程序，使其語句表達(dá)式易于用邏輯元件來實(shí)現(xiàn)，這是第二層所要做的工作。 （2）第二層次是RLT方式描述。這一層次稱為寄存器傳輸描述，有稱數(shù)據(jù)流描述。如前所述，用行為描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的程序，要想得到硬件的實(shí)現(xiàn)，必須將行為方式描述的VHDL語言程序改寫為RLT方式描述的VHDL語言程序。也就是說，采用RLT描述，才能導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯表達(dá)式，才能進(jìn)行邏輯綜合。在完成編寫RLT方式的描述程序以后，再用仿真工具進(jìn)行仿真，如果通過這一步仿真，就可以利用邏輯綜合工具進(jìn)行綜合。（3）第三層次是邏輯綜合。邏輯綜合這一階段是利用邏輯綜合工具，將RTL方式描述的程序轉(zhuǎn)換成用基本邏輯元件表示的文件。此時(shí)，如果需要，可以將邏輯綜合結(jié)果，以邏輯原理圖方式輸出。此后對邏輯綜合結(jié)果在門電路級上再進(jìn)行仿真，并檢查定時(shí)關(guān)系。如果一切正常，那么，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)就基本有邏輯綜合工具產(chǎn)生門級網(wǎng)絡(luò)表后，在最終完成硬件設(shè)計(jì)時(shí)， 還可以有兩種選擇，第一種是由自動(dòng)布線程序?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASIC芯片的制造工藝，做出ASIC芯片。第二種是將網(wǎng) 絡(luò)表轉(zhuǎn)換成FPGA的變成碼點(diǎn)，利用FPGA完成硬件電路設(shè)計(jì)。 規(guī)格設(shè)計(jì)行為級描述RLT及描述邏輯綜合門級仿真、定時(shí)檢查 輸出門級網(wǎng)表圖1-2自上而下系統(tǒng)硬件的過程1.3 Quartus II的介紹1.3.1 Quartus II的產(chǎn)生與發(fā)展Quartus 是Altera公司提供的可編程邏輯器件的集成開發(fā)軟件，是該公司前一代可編程邏輯器件的集成開發(fā)軟件MAX+plus 的更新?lián)Q代產(chǎn)品。Quartus 集成開發(fā)軟件支持可編程邏輯器件開發(fā)的整個(gè)過程，它提供一種與器件結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理和器件編程。Quartus 集成開發(fā)軟件適合多種平臺的工作環(huán)境，其中包括PC機(jī)的Microsoft Windows XP。它支持更多種類的可編程邏輯器件的開發(fā)，同時(shí)也提供在片可編程系統(tǒng)（System on a Programmable Chip，SOPC）設(shè)計(jì)的綜合性環(huán)境和基本設(shè)計(jì)工具。另外，Quartus 集成開發(fā)軟件也可以利用第三方軟件的結(jié)果，并支持第三方軟件的工作。為加快應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，Quartus 集成開發(fā)軟件提供更多的知識產(chǎn)權(quán)模塊（Intellectual Property，IP）。知識產(chǎn)權(quán)模塊（IP）是一些預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路功能模塊，在設(shè)計(jì)中使用這些模塊不僅可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，而且還可以提高系統(tǒng)性能。Quartus 集成開發(fā)軟件的核心是模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析/綜合器（Analysis & Synthesis）、適配器（Fitter）、裝配器（Assembler）、時(shí)序分析器（Timing Analyzer）、設(shè)計(jì)輔助模塊（Design Assistant）以及EDA網(wǎng)表文件生成器（EDA Netlist Writer）等?？删幊踢壿嬈骷_發(fā)的所有過程為：設(shè)計(jì)輸入、綜合、布局和布線、驗(yàn)證和仿真以及可編程邏輯器件的編程或配置。Quartus 集成開發(fā)軟件允許用戶在開發(fā)過程中使用Quartus 圖形用戶界面、EDA工具界面和命令行界面。用戶可以在整個(gè)開發(fā)過程中使用這些界面中的任意一個(gè)，也可以在開發(fā)過程中的不同步驟使用不同的界面。1.3.2 Quartus II功能概論作為一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的工具，Quartus 可編程邏輯器件的集成開發(fā)軟件支持可編程邏輯器件開發(fā)的全過程。這個(gè)過程包括以下步驟：創(chuàng)建工程，工程用來組織整個(gè)可編程邏輯器件開發(fā)的過程；設(shè)計(jì)輸入，本章介紹利用硬件描述語言通過文本編輯的方法完成電路設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)編譯，把設(shè)計(jì)輸入轉(zhuǎn)換為支持可編程邏輯器件編程的文件格式；設(shè)計(jì)仿真，該步驟用來檢查設(shè)計(jì)是否滿足邏輯要求；器件編程，使得可編程邏輯具有所要求的邏輯功能。1.3.3 Quartus II的應(yīng)用（1）創(chuàng)建工程（Project）Quartus 集成開發(fā)軟件對設(shè)計(jì)過程的管理采用工程方式。工程（Project）保存著程序編輯的信息和程序調(diào)試的環(huán)境等內(nèi)容。在開始編寫程序之前首先應(yīng)該建立一個(gè)工程。新建一個(gè)工程之前通常還需要建立一個(gè)文件夾，后面產(chǎn)生的工程文件以及源程序文件等都將存儲在這個(gè)文件夾之中。這個(gè)文件夾通常被EDA軟件默認(rèn)為工作庫（Work Library），不同的工程最好放在不同的文件夾中，同一工程的所有文件都必須放在同一文件夾中。在圖2.4所示的Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口，利用菜單“File New Project Wizard”創(chuàng)建工程向?qū)Э梢詭椭脩魟?chuàng)建一個(gè)新的工程。創(chuàng)建工程時(shí)首先出現(xiàn)新工程向?qū)Ы榻B，如圖1-3所示。圖1-3 新工程向?qū)Ы榻B新工程向?qū)椭脩糁付üこ堂凸こ涛募淮鎯Φ哪夸洠付攲游募拿Q，指定工程中需要用到的設(shè)計(jì)文件、其它可以借用的源文件、用戶庫，指定具體使用的可編程邏輯器件的系列和型號。在圖1-3中單擊“Next”按鈕可以打開指定工程文件被存儲的位置，指定頂層文件名，指定工程名稱對話框，對話框如圖1-4所示。在圖1-4所示的第一個(gè)文本輸入行，文件夾對話框，輸入包含完全路徑的工程文件將被存儲的文件夾名稱，或者使用瀏覽按鈕“.”找出這個(gè)文件夾。在第二個(gè)文本行，頂層文件名稱對話框，應(yīng)該輸入頂層文件的名稱，這個(gè)對話框后面的瀏覽按鈕“.”用于找出已經(jīng)存在，這里還將使用的頂層文件。在第三個(gè)文本行，工程文件名稱對話框，應(yīng)該輸入工程文件的名稱，這個(gè)對話框后面的瀏覽按鈕“.”用于找出已經(jīng)存在，這里還將使用的工程文件。建議文件夾的名稱、頂層文件的名稱以及工程文件的名稱選擇同樣的名稱，以免產(chǎn)生不必要的麻煩。圖1-4 新工程目錄和文件名稱對話框初學(xué)者可以利用下面簡便的方法完成新工程目錄和文件名稱對話框內(nèi)容的輸入。首先單擊第一個(gè)文本行，文件夾對話框，后面瀏覽按鈕“.”找到已經(jīng)為工程建立的文件夾并將其打開。這時(shí)的文件夾是一個(gè)空的文件夾，再次單擊“打開”按鈕將獲得如圖1-4所示的狀態(tài)，即完成新工程目錄和文件名稱對話框內(nèi)容的輸入。一直單擊“Next”按鈕將顯示如圖1-5所示。單擊“Finish”按鈕完成工程的創(chuàng)建。圖1-5新工程設(shè)置框圖隨著工程的建立，Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口也發(fā)生變化，如圖1-6所示。右上方的工程導(dǎo)航窗口（Project Navigator）中出現(xiàn)工程標(biāo)志。工程導(dǎo)航窗口具有三個(gè)可以互相切換的標(biāo)簽：Hierarchy、Files和Design Units。Hierarchy標(biāo)簽提供工程使用的可編程邏輯芯片邏輯單元、寄存器以及存儲器資源的使用信息。圖1-6 Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口選擇菜單“File Save Project”可以存儲當(dāng)前的工程，該工程應(yīng)該被存儲在圖1-6所示的目錄對話框中輸入的工程文件被存儲的目錄。選擇菜單“File Close Project”將關(guān)閉當(dāng)前的工程。再次打開一個(gè)存在的工程可以通過選擇菜單“File Open Project.”來實(shí)現(xiàn)。選擇這個(gè)菜單使得打開工程的對話框出現(xiàn)，如圖1-6所示，在下拉列表框“查找范圍（I）”中選擇將要打開的工程被存儲的文件夾名，列表框中將出現(xiàn)該文件夾中的所有工程，選擇將要打開的工程，單擊“打開（O）”按鈕即可打開一個(gè)存在的工程。（2）設(shè)計(jì)的輸入在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“File New.”可以打開如圖1-7所示的新建文件選擇窗口。 圖1-7 新建設(shè)計(jì)文件選擇窗口新建文件選擇窗口的“Device Design Files”標(biāo)簽顯示了5種設(shè)計(jì)輸入方法?！癇lock Diagram/Schematic File”為圖形輸入方式，它利用電路結(jié)構(gòu)圖和原理圖來輸入設(shè)計(jì)信息?！癊DIF File”支持EDIF網(wǎng)表編輯器產(chǎn)生的網(wǎng)表文件的輸入?！癆HDL File”、“Verilog HDL File”和“VHDL File”都是文本輸入方法，它們支持不同的硬件描述語言。原理圖輸入方法是一種類似于傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)中繪制電路圖的輸入方式。原理圖由邏輯器件和連線構(gòu)成，邏輯器件可以是軟件庫中的功能模塊，也可以是用戶生成的功能模塊。原理圖輸入方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)者必須面對硬件模塊的選用，這明顯地偏離了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化本質(zhì)的涵義。硬件描述語言具有行為描述的特點(diǎn)，同時(shí)改變設(shè)計(jì)比采用電路圖描述更加方便，本節(jié)將介紹利用“VHDL File”輸入設(shè)計(jì)信息。完成選擇以后，單擊“OK”按鈕將打開一個(gè)文本編輯窗口，如圖1-8所示。 圖1-8文本編輯窗口文本編輯窗口輸入上述程序之后，利用菜單“File Save As.”可以完成程序的第一次存儲。注意，程序必須被存儲在文件夾JTD之內(nèi)，文件名也為JTD，擴(kuò)展名采用vhd。如果對VHDL程序進(jìn)行了修改，再次存儲文件則可以利用菜單“File Save”來實(shí)現(xiàn)。接著要做的是把程序JTD.vhd加入工程，這可以利用菜單“Project Add Current File to Project”完成。程序JTD.vhd加入工程之后，在工程導(dǎo)航窗口的Files標(biāo)簽中可以看到JTD.vhd被加入到“Device Design Files”文件夾之中。（3）設(shè)計(jì)的編譯使用硬件描述語言這樣的抽象工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)者集中精力于系統(tǒng)的功能的實(shí)現(xiàn)，而不必關(guān)心具體的電路結(jié)構(gòu)。要把利用硬件描述語言完成的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成可以對可編程邏輯器件進(jìn)行編程的文件必須進(jìn)行編譯，這個(gè)過程也被稱作為綜合。它類似于用高級語言編程，然后再用編譯器將高級語言程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼的過程。盡管從表面上看，硬件描述語言和其它高級語言的編譯過程都是一種描述方法的轉(zhuǎn)換過程，但是它們之間還是具有許多本質(zhì)性的區(qū)別。高級語言編譯產(chǎn)生的機(jī)器代碼對應(yīng)于某種特定的CPU，脫離了特定的硬件環(huán)境，機(jī)器代碼將失去意義。機(jī)器代碼不代表硬件結(jié)構(gòu)，更不能改變硬件結(jié)構(gòu)。編譯的過程不需要與硬件相關(guān)的器件庫和工藝庫的參與，基本屬于一種一一對應(yīng)的“翻譯”過程。硬件描述語言編譯將產(chǎn)生描述電路結(jié)構(gòu)的網(wǎng)表文件，網(wǎng)表文件不依賴于任何特定硬件結(jié)構(gòu)，可以輕易地被移植到任意通用硬件環(huán)境中，例如各種CPLD或者FPGA芯片。另外，在把硬件描述語言表達(dá)的電路功能轉(zhuǎn)換成表達(dá)電路具體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)表文件的過程中，它不是機(jī)械的一一對應(yīng)的“翻譯”過程，還必須根據(jù)設(shè)計(jì)庫、工藝庫以及預(yù)先設(shè)置的各類約束條件，選擇最優(yōu)的方式完成電路結(jié)構(gòu)的形成。Quartus 集成開發(fā)軟件的編譯器包括多個(gè)獨(dú)立的模塊，各個(gè)模塊可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以啟動(dòng)全編譯過程。在Quartus 集成開發(fā)軟件工作窗口中，工程的編譯即可以通過“Tools”菜單進(jìn)行，也可以通過“Processing” 菜單進(jìn)行。使用菜單“Tools Compiler Tool ”可以打開編譯器窗口，如圖1-9所示，編譯器窗口顯示出了編譯器的所有模塊。按每個(gè)模塊中的按鈕可以逐步完成編譯過程，這時(shí)進(jìn)程表將顯示工作進(jìn)度，工作完成之后將顯示出花費(fèi)的時(shí)間和是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。每一步完成以后都可以通過按右下角“Report”按鈕打開編譯報(bào)告。按左下角“Start”按鈕可以啟動(dòng)全編譯過程。參考下圖P96F251標(biāo)出按鈕說明圖1-9 Quartus 集成開發(fā)軟件的編譯器窗口使用“Processing”菜單也包括單獨(dú)執(zhí)行每個(gè)模塊逐步完成編譯過程和啟動(dòng)全編譯過程。使用菜單“Processing Start ”可以單獨(dú)執(zhí)行每個(gè)模塊逐步完成編譯過程，這時(shí)也應(yīng)該遵循表2.3列出的執(zhí)行順序。使用菜單“Processing Start Compilation”可以啟動(dòng)全編譯過程。圖1-10 Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口啟動(dòng)全編譯過程之后，如圖1-10所示Quartus 集成開發(fā)軟件工作窗口左邊中間的狀態(tài)窗口將顯示編譯的進(jìn)度，下面的信息窗口在編譯的過程中不斷顯示編譯信息。編譯過程結(jié)束以后，窗口將顯示編譯是否成功，是否有錯(cuò)誤信息，是否有警告信息。如果有錯(cuò)誤，編譯將不會成功；對于初學(xué)者，警告信息可以不去關(guān)注，它對后面的仿真以及器件的編程影響不大。（4）設(shè)計(jì)的功能仿真完成了設(shè)計(jì)的輸入和編譯，還需要利用仿真工具對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，因?yàn)榫幾g過程只檢查了設(shè)計(jì)是否具有規(guī)則錯(cuò)誤和所選擇器件的資源是否滿足設(shè)計(jì)要求，并沒有檢查設(shè)計(jì)要求的功能是否滿足。仿真的過程就是讓計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的算法和一定的仿真庫對設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和排除錯(cuò)誤。Quartus 集成開發(fā)軟件提供系統(tǒng)功能仿真工具和時(shí)序仿真工具。利用功能仿真工具，設(shè)計(jì)者能對設(shè)計(jì)進(jìn)行全面測試，保證設(shè)計(jì)在所有可能的情況下都具有正確的響應(yīng)；利用時(shí)序仿真工具，設(shè)計(jì)者可以測試所選用的器件是否滿足系統(tǒng)工作速度的要求。本節(jié)只涉及功能仿真。1）創(chuàng)建仿真波形文件在進(jìn)行系統(tǒng)功能仿真之前，需要?jiǎng)?chuàng)建仿真波形文件，也叫矢量波形文件（.vwf），該文件以波形圖的形式描述系統(tǒng)在仿真輸入信號的作用下產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出仿真信號。在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“File New.”可以打開如圖1-11所示的新建文件選擇窗口。圖1-11 新建設(shè)計(jì)文件選擇窗口在新建文件選擇窗口中選擇“Other Files”標(biāo)簽，再選擇“Vector Waveform File”，然后單擊“OK”按鈕將打開波形編輯器窗口。 在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“File Save As.”可以打開“保存為”對話框。這個(gè)對話框自動(dòng)給出文件存儲的文件夾、文件名和文件類型，只要單擊“保存（S）”按鈕就完成矢量波形文件的保存，這時(shí)的波形編輯器窗口如圖1-12所示。需要注意的是在“保存為”對話框中要選中“Add file to current project”復(fù)選框，使得這個(gè)文件加入到當(dāng)前的工程之中。圖1-12 波形編輯器窗口圖1-12所示波形編輯器的內(nèi)容目前還是空的，在進(jìn)行系統(tǒng)功能仿真之前需要加入系統(tǒng)的輸入節(jié)點(diǎn)和希望檢查的輸出節(jié)點(diǎn)。在圖1-12所示的波形編輯器窗口“Name”列的空白處單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“Insert Node or Bus”可以打開“Insert Node or Bus”對話框，在這個(gè)對話框中單擊“Node Finder”按鈕可以打開“Node Finder”窗口，如圖1-13所示。圖1-13加入接點(diǎn)對話框圖1-13中下拉菜單“Filter”現(xiàn)在為“Pins：all”，單擊“List”按鈕可以在左側(cè)“Nodes Found”欄列出所有的輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，選擇希望觀察的節(jié)點(diǎn)，使用“”按鈕可以將該節(jié)點(diǎn)送入右側(cè)的“Selected Nodes”欄。如果希望觀察所有的節(jié)點(diǎn)，可以使用“”按鈕。下面的兩個(gè)反方向按鈕可以用來取消已經(jīng)選擇的觀察節(jié)點(diǎn)。利用下拉菜單“Filter”還可以選擇其它類型的節(jié)點(diǎn)，例如選擇“Registers：pre-synthesis”，單擊“List”按鈕可以列出信號“aqi”。采用同樣的方法，也可以使這樣的中間信號被觀察，使得系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和錯(cuò)誤排除更加方便。完成希望觀察節(jié)點(diǎn)的選擇，在圖1-13中單擊“OK”按鈕，“Insert Node or Bus”對話框再次出現(xiàn)，單擊對話框的“OK”按鈕，波形編輯器出現(xiàn)希望觀察的節(jié)點(diǎn)，如圖2.21所示。這時(shí)輸入信號沒有加入，中間信號和輸出信號的內(nèi)容為不定。圖1-14 波形編輯器窗口在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“View Utility Windows Node Finder”也可以在波形編輯器窗口加入希望觀察的節(jié)點(diǎn)。這時(shí)在“Node Finder”列出的節(jié)點(diǎn)中選擇要加入波形編輯器的節(jié)點(diǎn)，然后按住鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)到波形編輯器的“Name”列的空白處放開即可。如果系統(tǒng)的輸入信號為周期性的時(shí)鐘信號，可以在它的名稱左邊的標(biāo)志上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的菜單中選擇“Value Clock.”打開時(shí)鐘信號設(shè)置對話框，如圖1-15所示。圖1-15 時(shí)鐘信號設(shè)置對話框圖1-15中時(shí)鐘周期設(shè)置為10ns，如果僅用來檢查系統(tǒng)輸出邏輯是否滿足要求，這沒有什么影響。當(dāng)然你也可以設(shè)置周期為1s，不過這時(shí)需要更改仿真結(jié)束時(shí)間，默認(rèn)的仿真結(jié)束時(shí)間為1us。在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口選擇菜單“Edit End Time”可以打開結(jié)束時(shí)間對話框，利用這個(gè)對話框可以改變仿真結(jié)束時(shí)間。需要注意，有時(shí)當(dāng)仿真結(jié)束時(shí)間太長可能使得開發(fā)軟件的工作不正常。2）設(shè)計(jì)的功能仿真Quartus 集成開發(fā)軟件提供系統(tǒng)功能仿真工具和時(shí)序仿真工具，因此在仿真之前需要對仿真器進(jìn)行設(shè)置。在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“Assignments Settings.”可以打開“Settings”對話框，在對話框的“Category”列表中選擇“Simulator”選項(xiàng)就可以打開仿真器設(shè)置對話框，如圖1-16所示。圖1-16 仿真器設(shè)置對話框在仿真器設(shè)置對話框中，“Simulation”下拉菜單用來選擇仿真類型，由于要進(jìn)行設(shè)計(jì)的功能仿真，所以選擇“Functional”。“Simulation”文本框用來輸入包括目錄的仿真波形文件。對話框中的其它選項(xiàng)采用默認(rèn)值。完成仿真器的設(shè)置以后，在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“Processing Start Simulation”就可以啟動(dòng)仿真器。上述的仿真器設(shè)置和啟動(dòng)也可以在Quartus 集成開發(fā)軟件的工作窗口使用“Tools”菜單實(shí)現(xiàn)。選擇“Tools Simulator Tool”可以打開“Simulator Tool”對話框，在這個(gè)對話框既可以實(shí)現(xiàn)仿真器的設(shè)置，也可以啟動(dòng)仿真器。 在仿真過程中，仿真器報(bào)告窗口自動(dòng)打開。設(shè)計(jì)仿真結(jié)束之后，各種仿真報(bào)告可以通過仿真器報(bào)告窗口左邊的文件夾來打開，圖1-17顯示了文件夾中的仿真波形“Simulation Waveforms”。圖1-17 仿真報(bào)告窗口仿真波形就是利用圖形來描述電路輸入和輸出之間的關(guān)系，即數(shù)字電路中的描述方法中的時(shí)序圖。利用仿真波形可以直觀地檢查設(shè)計(jì)輸出是否滿足要求。如果不滿足要求，根據(jù)出現(xiàn)的現(xiàn)象，分析出具體原因再予以克服。仿真報(bào)告窗口中的信號aqi的數(shù)據(jù)類型為整數(shù)，這里使用二進(jìn)制格式進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)顯示格式具有多種，用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊在圖1-17顯示的仿真波形“Simulation Waveforms”最左邊的對應(yīng)信號aqi的標(biāo)志可以打開快捷菜單，選擇其中的“Properties”可以打開如圖1-18所示的對話框。利用對話框的“Radix”下拉菜單，從菜單中可以更改顯示數(shù)據(jù)的數(shù)制。圖1-18 觀察節(jié)點(diǎn)特性對話框當(dāng)輸出滿足要求，這時(shí)就可以向可編程邏輯器件下載，即對器件進(jìn)行編程。器件的編程需要硬件電路的相關(guān)知識。2 HDB3碼介紹2.1 數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號的傳輸是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分之一。在數(shù)字通信中，有些場合可不經(jīng)過載波調(diào)制和解調(diào)過程，而對基帶信號進(jìn)行直接傳輸。為使基帶信號能適合在基帶信道中傳輸，通常要經(jīng)過基帶信號變化，這種變化過程事實(shí)上就是編碼過程。于是，出現(xiàn)了各種各樣常用碼型。不同碼型有不同的特點(diǎn)和不同的用途。作為傳輸用的基帶信號歸納起來有如下要求：1 希望將原始信息符號編制成適合與傳輸用的碼型；2 對所選碼型的電波形，希望它適宜在信道中傳輸?？蛇M(jìn)行基帶傳輸?shù)拇a型較多。1、 AMI碼AMI碼稱為傳號交替反轉(zhuǎn)碼。其編碼規(guī)則為代碼中的0仍為傳輸碼0，而把代碼中1交替地變化為傳輸碼的+1-1+1-1，、。 舉例如下。消息代碼：0 1 1 1 0 0 1 0 、AMI 碼：0 +1 -1 +1 0 0 -1 0 、或 0 -1 +1 -1 0 0 +1 0 、AMI碼的特點(diǎn)：（1） 無直流成分且低頻成分很小，因而在信道傳輸中不易造成信號失真。（2） 編碼電路簡單