畢業(yè)設計（論文） 基于VHDL語言的HDB3碼編解碼器設計

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1、目錄 引言 1 1 緒論 1 1.1可編程邏輯器件概述 1 1.1.1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程 1 1.1.2 可編程邏輯器件的特點 2 1.1.3 可編程邏輯器件的一般設計流程 4 1.1.4 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設計方法 6 1.2 VHDL語言概述 7 1.2.1 VHDL語言介紹 7 1.2.2語言特性、功能與特點 7 1.2.3 TOP-DOWN的設計思想簡介 8 1.3 Quartus II的介紹 9 1.3.1 Quartus II的產生與發(fā)展 9 1.3.2 Quartus II功能概論 10 1.3.3 Quartus II的應用 10 2 H

2、DB3碼介紹 21 2.1 數(shù)字基帶信號 21 2.2 NRZ，AMI，HDB3碼之間的對應關系 21 2.3 HDB3碼的編/譯碼規(guī)則 22 3 用VHDL語言設計HDB3編碼器 24 3.1 HDB3編碼器實現(xiàn)的基本原理 24 3.2 HDB3編碼器的設計過程 24 3.3 HDB3編碼器仿真波形 30 4 用VHDL語言設計HDB3譯碼器 31 4.1 HDB3解碼器實現(xiàn)的基本原理 31 4.2 HDB3解碼器的設計過程 32 4.3 HDB3解碼器仿真波形 33 5　總結 35 5.1 系統(tǒng)設計思路小結 35 5.2 畢設存在的問題及不足 36 5.3

3、 畢設后的感想 36 致謝 37 參考文獻 38 附錄：基于VHDL語言的HDB3碼編/解碼器設計程序 39 摘要 現(xiàn)代通信在技術一般的數(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，經過調制后進行傳輸，在接收端先進行解調恢復為基帶信號，再進行解碼轉換為消息。在實際的基帶傳輸系統(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，因此對碼型的設計和選擇需要符合一定的原則。HDB3（High Density Binary－3）碼是AMI碼的一種改進型。HDB3碼保持了AMI碼的優(yōu)點，克服了AMI碼在遇到連“0”長時難以提取定時信息的困難，因而獲得廣

4、泛應用。CCITT已建議把HDB3碼作為PCM終端設備一次群到三次群的接口碼型。我本次畢業(yè)設計的主要內容就是基于VHDL語言的HDB3編/解碼器的設計，它所要達到的要求就是能從軟件方面來實現(xiàn)HDB3編/解碼器的基本功能，并能協(xié)調整個設計，使之達到預想的要求。設計的核心部分是：在QuartusⅡ的軟件平臺上，用VHDL語言來完成HDB3編/解碼器的各個模塊的設計并將它們合為一個整體的系統(tǒng)。設計中所用到的知識主要是：對VHDL碼型基本原理和特性的認識、對Quartus Ⅱ軟件的熟練操作、對VHDL（超高速集成電路硬件描述語言）的掌握和應用，這些知識都是進行電子設計的基本知識和能力，只有基礎知識和能

5、力扎實了，才能更好的進行更高層次的電子設計，所以這個設計也是對電子設計基本能力的很好的鍛練。 關鍵字：現(xiàn)代通信 HDB3碼 模塊 VHDL Quartus Ⅱ軟件 Abstract Modern communication in general digital communication system in first will change the information into number word signal of base band, is called as lette

6、r 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 t

7、he 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

8、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 de

9、sign 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

10、design is: In Quartus Ⅱ 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 princ

11、iple and property of pattern of sling-load , for Quartus Ⅱ 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 knowle

12、dge 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 QuartuⅡ 41 引言 現(xiàn)代通信

13、借助于電和光來傳輸信息，數(shù)字終端產生的數(shù)字信息是以“1”和“0”2種代碼（狀態(tài)）位代表的隨機序列，他可以用不同形式的電信號表示，從而構造不同形式的數(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，經過調制后進行傳輸，在接收端先進行解調恢復為基帶信號，再進行解碼轉換為消息。在實際的基帶傳輸系統(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，因此對碼型的設計和選擇需要符合一定的原則?？紤]到當數(shù)字信號進行長距離傳輸時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，傳輸碼型中應含有定時時鐘信息，以利于收端定時時鐘的提取，在基帶傳輸系統(tǒng)中

14、，定時信息是在接收端再生原始信息所必需的。再次，實際傳輸系統(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)律性來檢測傳輸質量，以便做到自動監(jiān)測，因此，傳輸碼型應具有一定的誤碼檢測能力。當然，對傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設備盡量簡單等要求，但以上的幾點是最主要的考慮因素。以上要求導致了HDB3碼的出現(xiàn)并獲廣泛應用。HDB3碼因具有無直流成分，低頻成分少和連0個數(shù)最多不超過三個等明顯的優(yōu)點，對定時信號的恢復十分有利， CCITT已建議把HDB3碼作為PCM終端設備一次群到三次群的接口碼型。本設計就是用VHDL語言實現(xiàn)HDB3碼的編/解碼器功能。

15、 基于VHDL語言的HDB3碼編/解碼器設計 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60年代開始，數(shù)字集成電路經歷了小規(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)等幾個發(fā)展階段。在此期間先

16、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.標準邏輯器件 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，多路轉換器，計數(shù)器和寄存器等邏輯器件就屬于這一類。 標準器件的生產批量大，成本低，價格便宜。由于其功能完全確定，版圖設計時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)設計中使用的主要器件，但集成度不高,用它設計的系統(tǒng)器件多，功耗大，而且印刷電路版走線復雜，焊點多，致使系統(tǒng)的可靠性降低。應為用戶無法修改這類器件的功能，使得修改設計時比較麻煩，改動

17、系統(tǒng)中的一個器件往往就需要重新設計印刷電路。 2.由軟件配置的集成電路器件 20世紀70年代以后陸續(xù)推出了由軟件配置的微處理器(CPU)和單片機等邏輯器件，它們較好的彌補了上述標準邏輯器件的缺陷。這類器件集成度高，邏輯功能可由軟件自由配置，因而由它們構成的數(shù)字系統(tǒng)靈活性大大增強。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格的場合。另外，這類邏輯器件通常需要有若干標準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

18、上述兩種邏輯器件的某些缺點。ASIC是為了滿足一種或幾種特定功能而設計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，甚至一個完整的數(shù)字電路系統(tǒng)也能用一片ASIC芯片實現(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)產品，半定制(Semi-custom)產品和可編程邏輯器件(PLD)。 (1)全定制產品 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。設計人員從晶體管的版圖尺寸，位置和互

19、連線開始設計，以求達到芯片面積利用率高，速度快，功耗低的最優(yōu)性能。要經過電路設計，邏輯模擬，版圖設計和集成電路的各道生產工序才能制造出符合要求的專用集成電路芯片。它的設計制作成本高，周期長，還帶有較大的風險性，一旦設計失誤就會浪費大量自己與設計時間，因此全定制的專用集成電路只在特大批量生產的情況下才適用。 (2) 半定制產品 半定制產品是一種約束性設計方式。約束的主要目的是簡化設計，縮短設計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廠家預先作好的，只剩下金屬連接層的掩摸有待按用戶的具體要求進行設計與制造。母片通用性較強，可以大批量生產，因而成本較低。

20、設計半定制ASIC芯片時，用戶根據(jù)設計要求及所選母片的結構設計出連線版圖，在交器件生產廠家布金屬連接線。最常見的半定制ASIC有門陣列，門海和標準單元等。半定制ASIC與全定制ASIC相比，當生產量不是很大時，它的設計和生產周期較短，成本低，風險也小。 (3) 可編程邏輯器件 以上兩種ASIC的設計和制造都離不開器件生產廠家，用戶主動性較差。隨著微電子技術的發(fā)展，設計師們更愿意自己設計專用集成電路芯片，并盡可能縮短設計周期，最好是在實驗室里就可以設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中，在使用中也能比較方便的對設計進行修改?？删幊踢壿嬈骷褪菫榱藵M足這一需求應運

21、而生的。 PLD芯片上的電路和金屬引線都是事先由器件生產廠家作好的，但其邏輯功能在出廠時并沒有確定，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。因此設計師們不通過器件生產廠家就能自己設計出符合要求的各種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，且大都可多次重復編程，為設計和開發(fā)帶來很大方便，是實現(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 PLD的特點是在進行系統(tǒng)設計時體現(xiàn)出來的，使用PLD設計數(shù)字系統(tǒng)會帶來許多好處，歸結起來主要有以下幾點。 （1） 集成度高 PLD器件集成度高，一

22、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器件實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時用的芯片數(shù)量減少，占用印刷線路板面積小，整個系統(tǒng)的硬件規(guī)模明顯減小。例如，一個由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后實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的電路級數(shù)又少，因而整個系統(tǒng)的工作速度會得到提高。 （4）提高系統(tǒng)的靈活性 在系

23、統(tǒng)的研制階段，由于設計錯誤或任務的變更而修改設計的事情經常發(fā)生，使用不可編程的器件時，修改設計就要更換或增減器件，這是一件相當麻煩的事，有時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，因此對原設計進行修改時，只需要修改原設計文件再對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）縮短設計周期 PLD器件集成度高，使用時印刷線路板電路布局布線簡單；性能靈活，使用它修改設計方便；開發(fā)工具先進，自動化程度高。因此，使用PLD可大大縮短系統(tǒng)的設計周期，加快產品投放市場的速度，

24、提高產品的競爭能力。 （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期間可有效防止產品被他人非法仿制。 （7）降低成本 使用PLD器件實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設計時，如果僅從器件本身的價格考慮，有時還看不出它的優(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器件修改設計方便，設計周期縮短，使系統(tǒng)的研制開發(fā)費用降低；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，進而使系統(tǒng)的維修服務費用降低?？傊褂肞LD進行系統(tǒng)設計能節(jié)約成

25、本。 1.1.3 可編程邏輯器件的一般設計流程 可編程邏輯器件的設計過程是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對器件進行開發(fā)的過程?？删幊踢壿嬈骷囊话阍O計流程如圖1-1所示，包括設計準備，設計輸入，功能仿真，設計處理，時序仿真和器件編程及測試等七個步驟。 圖1-1 可編程邏輯器件的一般設計流程 1．設計準備 在系統(tǒng)設計之前，首先要進行的是方案論證，系統(tǒng)設計和器件選擇等準備工作。設計人員需要根據(jù)任務要求，如系統(tǒng)的功能和復雜度，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行權衡，選擇合適的設計方案和合適的器件類型。一般采用自

26、頂向下的設計方法。 2．設計輸入 設計輸入是設計人員將所設計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并送入計算機的過程。設計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計描述方式，要設計什么，就從軟件系統(tǒng)提供的元件庫中調出來，畫出原理圖。這種方式要求設計人員有豐富的電路知識及對PLD的結構比較熟悉。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)仿真，便于信號的觀察和電路的調整；缺點是效率低，特別是產品有所改動，需要選用另外一個公司的PLD器件時，就需要重新輸入原理圖，而采用硬件描述語言輸

27、入方式就不存在這個問題。 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計，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)機等邏輯表達方式，主要用于簡單PLD的設計輸入。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IEEE標準。其突出優(yōu)點有：語言與工藝的無關性，可以使設計人員在系統(tǒng)設計、邏輯驗證階段便確立方案的可行性；語言的公開可利用性，便于實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的設計；具有很強的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率高，在不同的設計輸入庫之間的轉換非常方便，用不著對底層的

28、電路和PLD結構的熟悉。 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計文件，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計的電路進行邏輯功能驗證，此時的仿真沒有延時信息，僅對初步的功能進行檢測。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（即將所關心的輸入信號組合成序列），仿真結果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察到各個節(jié)點的信號變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設計輸入中修改邏輯設計。 4．設計處理 設計處理是器件設計中的核心環(huán)節(jié)。在設計處理過程中，編譯軟件將對設計輸入文件進行邏輯化簡、綜合優(yōu)化和適配，最后

29、產生編程用的編程文件。 （1）語法檢查和設計規(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．時序仿真 時序仿真又稱后仿真或延時仿真。由于不同器件的內部延時不一樣，不同的布局布線方案也給延時造成不同的影響，因此在設計處理以后，對系統(tǒng)和各模塊進行時序仿真，分析其時序關系，估計設計的性能，以及檢查和消除競爭冒險等是非常有必要的。實際上這也是與實際器件工作情況基本相同的仿真。 6．器件編程測試 時序仿真完成后，軟件就可產生供器件編程使用的數(shù)據(jù)文件。對EPLD／CPLD來說，是產生熔絲圖文件，即 JED文件。對于FPGA來說，是產生位流數(shù)據(jù)文件（Bitstre

30、am Generation），然后將編程數(shù)據(jù)放到對應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、編程時序和編程算法等。普通的EPLD／CPLD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。基于SRAM的FPGA可以由EPROM或其它存儲體進行配置。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，可以用編譯時產生的文件對器件進行校驗、加密等工作。對于支持JTAG技術，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

31、設計方法 傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設計一般是采用“自下而上”方法進行，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”是固定功能的標準集成電路，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。設計者根據(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)設計。傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設計只能對電路板進行設計，通過設計電路板來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 進入到20世紀90年代以后， EDA（電子設計自動化）技術的發(fā)展和普及給數(shù)字系統(tǒng)的設計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)設計的主流。 采

32、用可編程邏輯器件通過對器件內部的設計來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，是一種基于芯片的設計方法。設計者可以根據(jù)需要定義器件的內部邏輯和管腳，將電路板設計的大部分工作放在芯片的設計中進行，通過對芯片設計實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能。靈活的內部功能塊組合、管腳定義等，可大大減輕電路設計和電路板設計的工作量和難度，有效地增強設計的靈活性，提高工作效率。同時采用可編程邏輯器件，設計人員在實驗室可反復編程，修改錯誤，以期盡快開發(fā)產品，迅速占領市場?；谛酒脑O計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，在實驗室里就可以完成數(shù)字系統(tǒng)的設計和生產?？梢詫崿F(xiàn)

33、無芯片EDA公司，專業(yè)從事IP模塊生產。也可以實現(xiàn)無生產線集成電路設計公司的運作?？梢哉f，當今的數(shù)字系統(tǒng)設計已經離不開可編程邏輯器件和EDA設計工具。 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和美國國防部確認為標準硬件描述語言。自IEEE發(fā)布了HDL標準版本后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL實際環(huán)境，或宣布自己的程序可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設計領域得到了廣泛的

34、接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進行了修正，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力擴展VHDL的內容。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，在電子工程領域，已成為事實上的通用硬件描述語言。 VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結構，行為，功能和接口。除了含有許

35、多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,及端口）和內部（或稱不可視部分），既涉及實體的內部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內部開發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調用這個實體。這種將設計實體分成內外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設計的基本點。 1.2.2語言特性、功能與特點 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聯(lián)的語法構造。其特有的層次性——由上而下的結構VHDL語言可描述一個數(shù)字電

36、路的輸入，輸出以及相互之間的行為和功能。而其硬件關式語法結構適合大型設計項目的團隊合作。在主要的系統(tǒng)結構，組件及相互間的連接方式決定以后，就能將工作分包下去，各自獨立進行，例如使用主程序外的組件，函數(shù)以及程序內的塊程序。 1.支持多種電路與多種設計方法 VHDL語言能夠支持自頂向下和基于庫的設計方法，支持組合邏輯電路，同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路等電路的設計，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)學模型）直到門級電路逐層進行描述。另外，高層次的行為描述可以與底層次的寄存器描述和

37、結構描述混合使用。 3.能實現(xiàn)與工藝無關編程 采用VHDL語言設計硬件電路時，當門級或門級以上層次的描述通過仿真檢驗以后，再用相應的工具將設計映射成不同的工藝。在工藝更新時無須原設計程序，只需改變相應的映射工具。由此可見，修改電路和修改工藝相互之間不會產生影響。 4.易于共享和復用 作為IEEE標準的VHDL語言，語法嚴格，設計成果便于復用和交流。一個大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設計不可能從門級電路開始逐步進行設計，而是一些模塊電路的有機疊加。這些模塊電路可以預先設計或者使用以前設計中的存檔模塊。這些模塊電路可以采用VHDL語言進行描述且存放于庫中，便于在以后設計中復用。這樣可以減小數(shù)字系統(tǒng)設計的

38、工作量，縮短開發(fā)周期。 1.2.3 TOP-DOWN的設計思想簡介 自上而下的設計方法，就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設計美容細化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設計，其從總體行為設計開始到最終邏輯綜合，形成網(wǎng)絡表為止。在利用HDL的硬件設計方法中，設計者將自上而下分為三個層次對系統(tǒng)硬件進行設計。 （1）第一層次是行為描述。所謂行為描述，實質上就是對整個系統(tǒng)的數(shù)字模型的描述。一般來說，對系統(tǒng)進行行為描述的目的是試圖在系統(tǒng)設計的初始階段，通過對系統(tǒng)行為描述的仿真來發(fā)現(xiàn)設計存在的問題，并不真正考慮其實際的操作和算法用什么方法來實現(xiàn)。當行為描述程序仿真通過之后，說明模型是正確的，在此基

39、礎上再改寫該程序，使其語句表達式易于用邏輯元件來實現(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)結構的程序，要想得到硬件的實現(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，才能導出系統(tǒng)的邏輯表達式，才能進行邏輯綜合。在完成編寫RLT方式的描述程序以后，再用仿真工具進行仿真，如果通過這一步仿真，就可以利用邏輯綜合工具進行綜合。 （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方式描述的程序轉換成用基本邏輯元件表示的文件。此

40、時，如果需要，可以將邏輯綜合結果，以邏輯原理圖方式輸出。此后對邏輯綜合結果在門電路級上再進行仿真，并檢查定時關系。如果一切正常，那么，系統(tǒng)的硬件設計就基本有邏輯綜合工具產生門級網(wǎng)絡表后，在最終完成硬件設計時， 還可以有兩種選擇，第一種是由自動布線程序將網(wǎng)絡表轉換成相應的ASIC芯片的制造工藝，做出ASIC芯片。第二種是將網(wǎng) 絡表轉換成FPGA的變成碼點，利用FPGA完成硬件電路設計。 規(guī)格設計 行為級描述 RLT及描述 邏輯綜合 門級仿真、定時檢查 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

41、1.3.1 Quartus II的產生與發(fā)展 Quartus Ⅱ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 Ⅱ的更新?lián)Q代產品。Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件支持可編程邏輯器件開發(fā)的整個過程，它提供一種與器件結構無關的設計環(huán)境，使設計者能方便地進行設計輸入、設計處理和器件編程。 Quartus Ⅱ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)，同時也提供在片可編程系統(tǒng)（System on a Programmable Chip，SOPC）設

42、計的綜合性環(huán)境和基本設計工具。另外，Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件也可以利用第三方軟件的結果，并支持第三方軟件的工作。 為加快應用系統(tǒng)的開發(fā)，Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件提供更多的知識產權模塊（Intellectual Property，IP）。知識產權模塊（IP）是一些預先設計好的電路功能模塊，在設計中使用這些模塊不僅可以加快設計進程，而且還可以提高系統(tǒng)性能。 Quartus Ⅱ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）、時序分析器（Timing Analyze

43、r）、設計輔助模塊（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：設計輸入、綜合、布局和布線、驗證和仿真以及可編程邏輯器件的編程或配置。 Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件允許用戶在開發(fā)過程中使用Quartus Ⅱ圖形用戶界面、EDA工具界面和命令行界面。用戶可以在整個開發(fā)過程中使用這些界面中的任意一個，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 作為一種電子設計自動化（EDA）的工具，Quartus Ⅱ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

44、。這個過程包括以下步驟：創(chuàng)建工程，工程用來組織整個可編程邏輯器件開發(fā)的過程；設計輸入，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計；設計編譯，把設計輸入轉換為支持可編程邏輯器件編程的文件格式；設計仿真，該步驟用來檢查設計是否滿足邏輯要求；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的應用 （1）創(chuàng)建工程（Project） Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件對設計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試的環(huán)境等內容。在開始編寫程序之前首先應該建立一個工程。新建一個工程之前通常還需要建立一個文件夾，后面產生的工程文

45、件以及源程序文件等都將存儲在這個文件夾之中。這個文件夾通常被EDA軟件默認為工作庫（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 Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口，利用菜單“File → New Project Wizard”創(chuàng)建工程向導可以幫助用戶創(chuàng)建一個新的工程。創(chuàng)建工程時首先出現(xiàn)新工程向導介紹，如圖1-3所示。 圖1-3 新工程向導介紹 新工程向導幫助用戶指定工程名和工程文件被存儲的目錄，指定頂層文件的名稱，指定工程中需要用到的設計文件、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

46、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“...”找出這個文件夾。在第二個文本行，頂層文件名稱對話框，應該輸入頂層文件的名稱，這個對話框后面的瀏覽按鈕“...”用于找出已經存在，這里還將使用的頂層文件。在第三個文本行，工程文件名稱對話框，應該輸入工程文件的名稱，這個對話框后面的瀏覽按鈕“...”用于找出已經存在，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

47、的名稱選擇同樣的名稱，以免產生不必要的麻煩。 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容的輸入。首先單擊第一個文本行，文件夾對話框，后面瀏覽按鈕“...”找到已經為工程建立的文件夾并將其打開。這時的文件夾是一個空的文件夾，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新工程設置框圖 隨著工程的建立，Quartus Ⅱ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

48、航窗口（Project Navigator）中出現(xiàn)工程標志。工程導航窗口具有三個可以互相切換的標簽：Hierarchy、Files和Design Units。Hierarchy標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 Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口 選擇菜單“File → Save Project”可以存儲當前的工程，該工程應該被存儲在圖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”將關閉當前的工程。 再次打開一個存在的工程可以通過選擇菜單“File → Open Pro

49、ject...”來實現(xiàn)。選擇這個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）”按鈕即可打開一個存在的工程。 （2）設計的輸入 在Quartus Ⅱ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 新建設計文件選擇窗口 新建文件選擇窗口的“Device Design Files”標簽顯示了5種設計輸入方法?！癇lock Diagram/Schema

50、tic File”為圖形輸入方式，它利用電路結構圖和原理圖來輸入設計信息?！癊DIF File”支持EDIF網(wǎng)表編輯器產生的網(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)電子設計中繪制電路圖的輸入方式。原理圖由邏輯器件和連線構成，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是設計者必須面對硬件模塊的選用，這明顯地偏離了電子設計自動化本質的涵義。硬件描述語言具有行為描述的特點，同時改變設計比采用電路圖描述更加方便，本節(jié)將介紹利

51、用“VHDL File”輸入設計信息。完成選擇以后，單擊“OK”按鈕將打開一個文本編輯窗口，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，文件名也為JTD，擴展名采用vhd。如果對VHDL程序進行了修改，再次存儲文件則可以利用菜單“File → Save”來實現(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，

52、在工程導航窗口的Files標簽中可以看到JTD.vhd被加入到“Device Design Files”文件夾之中。 （3）設計的編譯 使用硬件描述語言這樣的抽象工具進行系統(tǒng)設計可以使設計者集中精力于系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)，而不必關心具體的電路結構。要把利用硬件描述語言完成的設計轉換成可以對可編程邏輯器件進行編程的文件必須進行編譯，這個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換成機器代碼的過程。 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換過程，但是它們之間還是具有許多本質性的區(qū)別。高級語言編譯產生的機器代碼對應于某種特定的CPU

53、，脫離了特定的硬件環(huán)境，機器代碼將失去意義。機器代碼不代表硬件結構，更不能改變硬件結構。編譯的過程不需要與硬件相關的器件庫和工藝庫的參與，基本屬于一種一一對應的“翻譯”過程。 硬件描述語言編譯將產生描述電路結構的網(wǎng)表文件，網(wǎng)表文件不依賴于任何特定硬件結構，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的電路功能轉換成表達電路具體結構的網(wǎng)表文件的過程中，它不是機械的一一對應的“翻譯”過程，還必須根據(jù)設計庫、工藝庫以及預先設置的各類約束條件，選擇最優(yōu)的方式完成電路結構的形成。 Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的編譯器包括多個獨立的模塊，各個模塊

54、可以單獨運行，也可以啟動全編譯過程。在Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件工作窗口中，工程的編譯即可以通過“Tools”菜單進行，也可以通過“Processing” 菜單進行。 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。按每個模塊中的按鈕可以逐步完成編譯過程，這時進程表將顯示工作進度，工作完成之后將顯示出花費的時間和是否出現(xiàn)錯誤。每一步完成以后都可以通過按右下角“Report”按鈕打開編譯報告。按左下角“Start”按鈕可以啟動全編譯過程。 參考下圖P96F251標出按鈕說明 圖1-9 Quartus

55、Ⅱ集成開發(fā)軟件的編譯器窗口 使用“Processing”菜單也包括單獨執(zhí)行每個模塊逐步完成編譯過程和啟動全編譯過程。使用菜單“Processing → Start → ”可以單獨執(zhí)行每個模塊逐步完成編譯過程，這時也應該遵循表2.3列出的執(zhí)行順序。使用菜單“Processing → Start Compilation”可以啟動全編譯過程。 圖1-10 Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口 啟動全編譯過程之后，如圖1-10所示Quartus Ⅱ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。編譯過程結束以后，窗口將顯示編譯是否成功

56、，是否有錯誤信息，是否有警告信息。如果有錯誤，編譯將不會成功；對于初學者，警告信息可以不去關注，它對后面的仿真以及器件的編程影響不大。 （4）設計的功能仿真 完成了設計的輸入和編譯，還需要利用仿真工具對設計進行仿真，因為編譯過程只檢查了設計是否具有規(guī)則錯誤和所選擇器件的資源是否滿足設計要求，并沒有檢查設計要求的功能是否滿足。仿真的過程就是讓計算機根據(jù)一定的算法和一定的仿真庫對設計進行模擬，以驗證設計和排除錯誤。 Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件提供系統(tǒng)功能仿真工具和時序仿真工具。利用功能仿真工具，設計者能對設計進行全面測試，保證設計在所有可能的情況下都具有正確的響應；利用時序仿真工具，設計

57、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 在進行系統(tǒng)功能仿真之前，需要創(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生的系統(tǒng)輸出仿真信號。在Quartus Ⅱ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 新建設計文件選擇窗口 在新建文件選擇窗口中選擇“Other Files”標簽，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 Ⅱ集成開發(fā)

58、軟件的工作窗口使用菜單“File → Save As...”可以打開“保存為”對話框。這個對話框自動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”復選框，使得這個文件加入到當前的工程之中。 圖1-12 波形編輯器窗口 圖1-12所示波形編輯器的內容目前還是空的，在進行系統(tǒng)功能仿真之前需要加入系統(tǒng)的輸入節(jié)點和希望檢查的輸出節(jié)點。在圖1-12所示的波形編輯器窗口“Name”列的空白處單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中

59、選擇“Insert Node or Bus”可以打開“Insert Node or Bus”對話框，在這個對話框中單擊“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“Nodes Found”欄列出所有的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點，選擇希望觀察的節(jié)點，使用“≥”按鈕可以將該節(jié)點送入右側的“Selected Nodes”欄。如果希望觀察所有的節(jié)點，可以使用“＞＞”按鈕。下面的兩個反方向按鈕可以用來取消已經選擇的觀察節(jié)點。 利用下拉菜單

60、“Filter”還可以選擇其它類型的節(jié)點，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)的功能驗證和錯誤排除更加方便。 完成希望觀察節(jié)點的選擇，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，如圖2.21所示。這時輸入信號沒有加入，中間信號和輸出信號的內容為不定。 圖1-14 波形編輯器窗口 在Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“View → Utility Win

61、dows → Node Finder”也可以在波形編輯器窗口加入希望觀察的節(jié)點。這時在“Node Finder”列出的節(jié)點中選擇要加入波形編輯器的節(jié)點，然后按住鼠標左鍵，拖動到波形編輯器的“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鐘信號，可以在它的名稱左邊的標志上點擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇“Value → Clock...”打開時鐘信號設置對話框，如圖1-15所示。 圖1-15 時鐘信號設置對話框 圖1-15中時鐘周期設置為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。當然你也可以設置周期為1s，不過這時需要更改仿真

62、結束時間，默認的仿真結束時間為1us。在Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口選擇菜單“Edit → End Time”可以打開結束時間對話框，利用這個對話框可以改變仿真結束時間。需要注意，有時當仿真結束時間太長可能使得開發(fā)軟件的工作不正常。 2）設計的功能仿真 Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件提供系統(tǒng)功能仿真工具和時序仿真工具，因此在仿真之前需要對仿真器進行設置。在Quartus Ⅱ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”選項就可以打開仿真器設置對

63、話框，如圖1-16所示。 圖1-16 仿真器設置對話框 在仿真器設置對話框中，“Simulation”下拉菜單用來選擇仿真類型，由于要進行設計的功能仿真，所以選擇“Functional”?！癝imulation”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采用默認值。 完成仿真器的設置以后，在Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口使用菜單“Processing → Start Simulation”就可以啟動仿真器。 上述的仿真器設置和啟動也可以在Quartus Ⅱ集成開發(fā)軟件的工作窗口使用“Tools”菜單實現(xiàn)。選擇“Tools → Simulator Tool”可

64、以打開“Simulator Tool”對話框，在這個對話框既可以實現(xiàn)仿真器的設置，也可以啟動仿真器。 在仿真過程中，仿真器報告窗口自動打開。設計仿真結束之后，各種仿真報告可以通過仿真器報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系，即數(shù)字電路中的描述方法中的時序圖。利用仿真波形可以直觀地檢查設計輸出是否滿足要求。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)，這里使用二進制格式進行顯示。

65、數(shù)據(jù)顯示格式具有多種，用鼠標右鍵點擊在圖1-17顯示的仿真波形“Simulation Waveforms”最左邊的對應信號aqi的標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)點特性對話框 當輸出滿足要求，這時就可以向可編程邏輯器件下載，即對器件進行編程。器件的編程需要硬件電路的相關知識。 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

66、組成部分之一。在數(shù)字通信中，有些場合可不經過載波調制和解調過程，而對基帶信號進行直接傳輸。為使基帶信號能適合在基帶信道中傳輸，通常要經過基帶信號變化，這種變化過程事實上就是編碼過程。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行基帶傳輸?shù)拇a型較多。 1、 AMI碼 AMI碼稱為傳號交替反轉碼。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： （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