摘要：介紹可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)和開發(fā)軟件MAX+PLUSII主要特點，以交通控制系統(tǒng)電路芯片設(shè)計為例，敘述自頂向下的設(shè)計方法。

集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了從小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成的過程，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多特定功能的專用集成電路(ASIC)應(yīng)用日益廣泛，用戶迫切希望根據(jù)自身設(shè)計要求自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字電路。復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex

Programmable LOGIC Devices)順應(yīng)了這一新的需要。它能將大量邏輯功能集成于1個芯片中，其規(guī)?？蛇_幾十萬或上百門以上。用CPLD開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)個有容量大、速率快、成本低的特點，且開發(fā)靈活、開發(fā)周期短。

1 器件結(jié)構(gòu)和開發(fā)軟件

1.1FLEX10K簡介

FLEX系列可編程邏輯器件是美國Altera公司主力推出的產(chǎn)品。FLEX10K是該系統(tǒng)器件中的典型代表。與許多PLD器件一樣，它有在線可配置(ISR)功能和高密度、高速度的優(yōu)點;作為工業(yè)界第1個嵌入式PLD，它還采用重復(fù)可構(gòu)造的CMOS

SRAM工藝，把連續(xù)的快速通道互連與獨特嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，來完成普通門陣列的宏功能。每個FLEX10K器件還1包括個嵌入式陣列和1個邏輯陣列，能讓設(shè)計人員輕松地開發(fā)集成存儲器、數(shù)字信號處理器及特殊邏輯功能等強大的功能于一身的芯片。圖1為其結(jié)構(gòu)圖。FLEX10K主要由邏輯陣列(logic

array)、嵌入式陣列(EAB)構(gòu)成。其中，邏輯陣列是由多個邏輯陣列塊(LAB)組成的，而每個邏輯陣列塊(LAB)又包含8個邏輯單元(logic

element)，在每行、列互連通道的兩端都有輸入/輸出單元(IOE)。

1.2 MAX+PLUSII開發(fā)軟件特點和設(shè)計流

用CPLD實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計電路，關(guān)鍵技術(shù)是必須有一個優(yōu)秀的開發(fā)軟件。Altera公司的開發(fā)軟件MAX+PLUS

II界面豐富，使設(shè)計靈活、方便、高效。

(1)開放的界面

MAX+PLUS II軟件可與其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計輸入、綜合與校驗工具相連接。設(shè)計人員可以使用Altera或標(biāo)準(zhǔn)EDA設(shè)計輸入工具來建立邏輯設(shè)計，對器件設(shè)計進行編譯，并能使用Altera或其EDASF校驗工具進行器件仿真。

(2)完全集成化的環(huán)境

它是一個完全集成化、易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，設(shè)計輸入方式有圖形輸入、文本輸入、波形輸入、狀態(tài)機設(shè)計輸入。其編譯及設(shè)計處理寫仿真、定時分析、邏輯綜合與適配均為Windows圖形界面。

(3)支持各種硬件描述語言

支持各種HDL設(shè)計輸入選項，包括VHDL、VerilogHDL、ABEL、AHDL等硬件描述語言。

(4)豐富的設(shè)計庫

提供豐富的庫單元設(shè)計調(diào)用，包括74系列的全部器件和多種特殊的邏輯宏功能、新型的參數(shù)化兆功能。對于復(fù)雜的大系統(tǒng)，設(shè)計者需調(diào)用宏單元庫，并對其修改某些參數(shù)，而無需自己用基本邏輯單元來構(gòu)成某種功能，以大大減輕設(shè)計人員的工作量，縮短設(shè)計周期。

電路的設(shè)計流程如圖2所示。將所設(shè)計的電路用原理圖輸入和硬件描述語言輸入，應(yīng)用EDA軟件平臺(MAX+PLUS

II)編譯通過后，再進行邏輯功能仿零點，生成目標(biāo)文件，下載到FLEX10K芯片，完成系統(tǒng)設(shè)計。

2 交通控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)介紹

圖3為一十字路口交通管理器，控制甲、乙2道的紅、黃、綠3色燈。計數(shù)顯示部分為2個倒計時器，顯示甲、乙車道允許通車時間，指揮車輛和行人安全通行。其R1、Y1、G1為甲道紅、黃、綠燈;R2、Y2、G2為乙道紅、黃、綠燈。

甲道通告時間為t3，乙道通行時間為t2，黃燈亮(停車)時間為t1，C1、C2、C3為定時器工作使能信號，為1時定時器計數(shù);W1、W2、W3為定時器的指示信號，計數(shù)時信號為0，計數(shù)結(jié)束時信號為1。

2.2 FLEX10K內(nèi)部邏輯功能設(shè)計

交通控制系統(tǒng)芯片內(nèi)部邏輯功能設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，系統(tǒng)頂層電路如圖4所示。它分為5個次級模塊：控制器(traffic_control)、定時器1、定時器2、定時器3、(其定時時間為t3、t2和t1)、計數(shù)顯示(含減法計數(shù)器和動態(tài)掃描電路)。

頂層電路圖中減法計數(shù)器和動態(tài)掃描電路用圖形輸入描述，其它次級模塊控制器、定時器1、定時器2、定時器3用VHDL硬件語言描述。核心模塊控制器的VHDL源文件如下：

LIBRARY ieee;

use ieee.STd_logic_1164.dll;

entity traffic_control is

PORT(

clk :IN STD_LOGIC;

c1,c2,3 :OUT STD_LOGIC;

w1,w2,w3 :IN STD_LOGIC;

r1,r2 :OUT STD_LOGIC;

y1,y2 :OUT STD_LOGIC;

g1.g2 :OUT STD_LOGIC;

reset :IN STD_LOGIC);

END traffic_control;

ARHITECTURE a OF traffic_control IS

TYPE STATE_SPACE IS(S0，S1，S2，S3);

SIGNAL state:STATE_SPACE;

BEGIN

PROCESS(slk)

BEGIN

IF reset='1'THEN

State<=S0;

ELSIF(clk EVENT AND clk='1')THEN

CASE state IS

WHEN S0=>

IF w1='1'THEN

state

END IF;

WHEN S1=>

IF w2='1'THEN

state<=s2;

END IF;

WHEN S2=>

IF w3='1'THEN

State<=s3;

END IF;

WHEN S3=>

IF w2='1'THEN

state<=s0;

END IF;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

c1<='1'WHEN state=s0 ELSE'0'

c2<='1'WHEN state=S1 OR state=S3 ELSE '0'

c3<='1'WHEN state=s2 ELSE'0';

r1<='1'WHEN state=S1 OR state=S0 ELSE '0'

y1<='1'WHEN state=s3 ELSE'0';

g1<='1'WHEN state=s2 ELSE'0';

r2<='1'WHEN state=S2 OR state=S3 FLES'0';

y2<='1'WHEN state=S1 ELSE'0';

g2<='1'WHEN state=S0 ELSE'0';

END a;

3 功能編譯、設(shè)計仿真與硬件下載

本系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)的FLEX10K系列的CPLD芯片，應(yīng)用該公司的MAX+PLUS

II開發(fā)軟件完成設(shè)計后，需對各種源文件從低層到頂層逐個編譯，再進行邏輯仿真。選擇器件后，打開檢查項目中所有設(shè)計文件，通過檢測發(fā)發(fā)現(xiàn)在編程器件中可能存在的可靠性不好的邏輯器件引腳分配。Altera公司推薦的編譯器可自動為項目進行引腳分配，也可人工調(diào)整引腳。在編譯器窗口選擇Start按鈕，將對所有設(shè)計的項目進行處理，出現(xiàn)錯誤將給出具體錯誤提示。為了保證設(shè)計的正確性，在編譯通過后，還需進行邏輯仿真。仿真通過后再應(yīng)用MAX+PLUS

II的編程器對所選可編程邏輯器件下載編程，便完成了交通控制系統(tǒng)的ASIC芯片設(shè)計和硬件固化。若在芯片外圍接入必要電源、脈沖信號、顯示器和指示燈，便構(gòu)成了一個完整交通控制系統(tǒng)。它具有工作穩(wěn)定、體積小、在線修改方便等特點。