VHDL是一種應(yīng)用廣泛的硬件描述語言，設(shè)計者可以通過它編寫代碼，通過模擬器仿真驗證其功能，完成邏輯綜合與邏輯優(yōu)化，最后通過下載到相應(yīng)的可編程邏輯器件（如FPGA）中來實現(xiàn)設(shè)計。本設(shè)計是利用Quartus II軟件，采用VHDL語言設(shè)計一個用8個開關(guān)對應(yīng)8個數(shù)字顯示。按sw0到sw7可以顯示1到8的數(shù)值，并在選擇開關(guān)時發(fā)出聲響。完成后下載到實驗箱，實現(xiàn)設(shè)計功能。

1、Quartus II簡介

Max+plus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對Max+plus II 的更新支持。Quartus II 是Altera公司繼Max+plus II之后開發(fā)的一種針對其公司生產(chǎn)的系列CPLD/PGFA器件的綜合性開發(fā)軟件，它的版本不斷升級，從4.0版到10.0版，該軟件有如下幾個顯著的特點：

1）Quartus II 的優(yōu)點

該軟件界面友好，使用便捷，功能強大，是一個完全集成化的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，是先進的EDA工具軟件。該軟件具有開放性、與結(jié)構(gòu)無關(guān)、多平臺、完全集成化、豐富的設(shè)計庫、模塊化工具等特點，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。

Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。

2）Quartus II對器件的支持

Quartus II支持Altera公司的MAX 3000A系列、MAX 7000系列、MAX 9000系列、ACEX 1K系列、APEX 20K系列、APEX II系列、FLEX 6000系列、FLEX 10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘積項器件。支持MAX II CPLD系列、Cyclone系列、Cyclone II、Stratix II系列、Stratix GX系列等。支持IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。此外，Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。

3）Quartus II對第三方EDA工具的支持

對第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計流程的各個階段使用熟悉的第三放EDA工具。

Altera的Quartus II可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設(shè)計。Quartus平臺與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的LogicLock模塊設(shè)計功能，增添 了FastFit編譯選項，推進了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。

1．2、VHDL簡介

在傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計中，主要的設(shè)計文件是電路原理圖，而采用HDL設(shè)計系統(tǒng)硬件電路時主要使用HDL編寫源程序。所謂硬件描述語言HDL（HardwareDes cription Language），就是該語言可以描述硬件電路的功能，信號連接關(guān)系及定時關(guān)系。許多公司開發(fā)了自己專有的HDL，包括Zycad公司的ISP，Gateway DesignAutomation公司的Verilog以及Mentor Graphics公司的BLM。其中，Silicon Compiler公司的M及Gateway公司的Verilog以C語言為基礎(chǔ)。UDL／I在日本以標(biāo)準(zhǔn)HDL的形式出現(xiàn)。多年來設(shè)計者一直使用這些專用的HDL。1982年，各ASIC芯片廠商相繼開發(fā)了用于各自目的的HDL。1987年底，IEEE確認(rèn)美國國防部開發(fā)的VHDL為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言（IEEE．1076）。之后，各EDA公司研制的硬件電路設(shè)計工具逐漸向VHDL靠攏，VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛的接受，1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，公布了新版本的VHDL（即IEEE．1076．1993）?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，在電子工程領(lǐng)域，從各公司的設(shè)計人員到各大學(xué)的教授、學(xué)生，都極其重視對其的學(xué)習(xí)研究，VHDL已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在21世紀(jì)中，幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)將由VHDL與Verilog語言承擔(dān)，VHDL將是電子工程設(shè)計人員的必備知識。VHDL和其他語言相比，最大的區(qū)別在于設(shè)計方法上的差別。

VHDL的主要優(yōu)點有：

（1）VHDL支持自頂至下的和基于庫的設(shè)計方法，而且支持同步電路、異步電路、現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA（field programmable gate array）以及其他隨機電路的設(shè)計。VHDL具有比其他硬件描述語言更強的行為描述能力，基于抽象的行為描述風(fēng)格避開了具體的器件結(jié)構(gòu)，使設(shè)計人員能從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)。目前流行的EDA工具和VHDL綜合器大都能實現(xiàn)行為描述到RTL（Register Transfer Level）描述的轉(zhuǎn)換。

（2）VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計再利用的功能，它支持系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級電路的描述，并且高層次的行為描述與低層次的門級電路描述、結(jié)構(gòu)描述可以混合使用。這些特點符合IC設(shè)計的市場要求。VHDL支持系統(tǒng)級描述，這是它優(yōu)于其他VHDL的最重要的特點。例如，Verilog語言是一種門級電路描述語言，其風(fēng)格接近于電路原理圖，設(shè)計者需要搞清楚具體的電路結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，因此工作量通常較大。VHDL語言卻最適合于描述電路的行為，即描述電路的功能，然后由綜合器來生成符合要求的電路網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計者在熟悉基本單元電路的描述風(fēng)格，積累一定的設(shè)計經(jīng)驗后，就會為用VHDL設(shè)計同等性能電路的高效率所鼓舞。

（3）VHDL的硬件描述與具體的工藝技術(shù)和硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，當(dāng)門級或門級以上的描述通過仿真檢驗后，再利用相應(yīng)的工具將設(shè)計映射成不同的工藝，因此電路的設(shè)計與工藝的改變是相互獨立的。彼此的改變不會產(chǎn)生不良影響，并且VHDL硬件描述語言的實現(xiàn)目標(biāo)器件的選擇范圍廣泛，可使用各系列的CPLD、FPGA及各種門陣列器件。

（4）VHDL具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于己完成的設(shè)計源程序，可以通過修改類屬參數(shù)表和函數(shù)的辦法來改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。VHDL具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得門電路級的功能仿真、檢查成為可能，使設(shè)計者對整個工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)和功能的可行性做出決策。

（5）VHDL作為一種IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使VHDL的設(shè)計成果便于重復(fù)利用和交流。這就更進一步推動了VHDL語言的推廣及完善。另外，由于其語法嚴(yán)格，給閱讀和使用帶來極大的便利。

2、硬件設(shè)計

本設(shè)計硬件平臺采用武漢理工大學(xué)EDA實驗箱，如下圖所示。

所用到的部分有LED數(shù)碼管、開關(guān)、蜂鳴器等，具體連接如下。

data_o［0］ PIN_103 key［0］ PIN_49

data_o［1］ PIN_100 key［1］ PIN_50

data_o［2］ PIN_99 key［2］ PIN_51

data_o［3］ PIN_98 key［3］ PIN_52

data_o［4］ PIN_97 key［4］ PIN_53

data_o［5］ PIN_96 key［5］ PIN_54

data_o［6］ PIN_94 key［6］ PIN_55

data_o［7］ PIN_91 key［7］ PIN_56

l［0］ PIN_83 clk PIN_16

l［1］ PIN_84 bell PIN_78

l［2］ PIN_85

其中data_o［0］—data_o［7］為每個LED數(shù)碼管0-7的段選，key［0］—key［7］為控制開關(guān)0-7，l［0］—l［3］控制8個LED數(shù)碼管，clk為時鐘輸入，bell為蜂鳴器

3、軟件設(shè)計

3.1、設(shè)計方案

本設(shè)計的VHDL程序主要有共有3個部分：分頻、數(shù)碼管掃描進程、顯示控制進程。方案原理圖如下。

3.2、完整程序

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY key IS

PORT（clk ： IN STD_LOGIC;

key ： in std_logic_vector（7 downto 0）;

l ： out STD_LOGIC_VECTOR（2 downto 0）;

data_o ： out STD_LOGIC_VECTOR（7 downto 0）;

bell ： out STD_LOGIC：=‘0’

）;

END key;

ARCHITECTURE an OF key IS

signal clk_1k ： std_logic;

signal p ： integer range 0 to 7;

begin

process（clk）

variable cnt1 ： integer range 0 to 200;

variable cnt2 ： integer range 0 to 125;

begin

if clk‘event and clk=’1‘ then

if cnt1=200 then

cnt1：=0;

if cnt2=125 then

cnt2：=0;

clk_1k《=not clk_1k;

else

cnt2：=cnt2+1;

end if;

else

cnt1：=cnt1+1;

end if;

end if;

end process;

process（p，clk_1k）

begin

if clk_1k=’1‘ and clk_1k’event then

if p=7 then

p《=0;

else

p《=p+1;

end if;

end if;

case p is

when 0 =》 l《=“000”;

when 1 =》 l《=“001”;

when 2 =》 l《=“010”;

when 3 =》 l《=“011”;

when 4 =》 l《=“100”;

when 5 =》 l《=“101”;

when 6 =》 l《=“110”;

when 7 =》 l《=“111”;

when others=》

end case;

end process;

process（clk_1k）

FUNCTION b_to_s7（bcd8421:INTEGER RANGE 0 TO 9） RETURN STD_LOGIC_VECTOR IS

VARIABLE smg7： STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0）;

BEGIN

CASE bcd8421 IS

WHEN 0 =》 smg7：=“11111100”;

WHEN 1 =》 smg7：=“01100000”;

WHEN 2 =》 smg7：=“11011010”;

WHEN 3 =》 smg7：=“11110010”;

WHEN 4 =》 smg7：=“01100110”;

WHEN 5 =》 smg7：=“10110110”;

WHEN 6 =》 smg7：=“10111110”;

WHEN 7 =》 smg7：=“11100000”;

WHEN 8 =》 smg7：=“11111110”;

WHEN 9 =》 smg7：=“11110110”;

END CASE;

RETURN smg7;

END b_to_s7;

begin

if clk_1k=‘1’ then

case key is

when “11111111”=》bell《=‘0’;

when “11111110”=》 data_o《=b_to_s7（1）;bell《=‘1’;

when “11111101”=》data_o《=b_to_s7（2）;bell《=‘1’;

when “11111011”=》data_o《=b_to_s7（3）;bell《=‘1’;

when “11110111”=》data_o《=b_to_s7（4）;bell《=‘1’;

when “11101111”=》data_o《=b_to_s7（5）;bell《=‘1’;

when “11011111”=》data_o《=b_to_s7（6）;bell《=‘1’;

when “10111111”=》data_o《=b_to_s7（7）;bell《=‘1’;

when “01111111”=》data_o《=b_to_s7（8）;bell《=‘1’;

when others=》data_o《=“10001111”;bell《=‘1’;

end case;

end if;

end process;

end an;

4、實驗結(jié)果

所編寫程序經(jīng)過下載到所用實驗箱后，當(dāng)分別撥動開關(guān)sw0—sw7時，在LED數(shù)碼管上分別顯示數(shù)字1—8，并且蜂鳴器發(fā)出聲響，有關(guān)部分運行結(jié)果的如下圖所示。