VHDL是隨著可編輯邏輯器件（PLD）的發展而發展起來的一種硬件描述語言。它是1980年美國國防部VHSIC（超高速集成電路）計劃的一部分，并于1986年和1987年分別成為美國國防部和IEEE的工業標準。作為一種硬件設計時采用的標準語言，VHDL具有極強的描述能力，能支持系統行為級、寄存器傳輸級和門級三個不同層次的設計，這樣設計師將在TOP－DOWN設計的全過程中均可方便地使用同一種語言。而且，VHDL設計是一種“概念驅動式”的高層設計技術，設計人員毋需通過門級原理圖描述電路，而是針對目標進行功能描述，由于擺脫了電路細節的束縛，設計人員可以專心于設計方案和構思上，因此設計工作省時省力，加快了設計周期，并且工藝轉換變得輕松。VHDL設計技術對可編程專用集成電路（ASIC）的發展起著極為重要的作用。

自從微軟提出“維納斯”計劃后，機頂盒便成為信息產業追逐的主要目標，也是信息家電中的主流產品。各國都在加緊對機頂盒的開發，我國也提出了相應的“女媧”計劃，全國許多科研單位與生產廠家都在進行這方面的研究。由于我國有線電視資源豐富，市場前景很大，因而對有線電視機頂盒的研究也就格外引人注目。然而，由于我國還未完全開展數字電視業務，因而在機頂盒的調試過程中，要找到合適的信號源是很不容易的，不得不采用通過計算機輸出標準視頻碼流的方式來實現。可大多數計算機EISA總線并行輸出的數據速率都難以滿足實際工作的需要。雖然EISA總線可以一次輸出16位并行數據，但這對于一次只能處理8位并行數據的器件來說，仍需要一個轉換過程。本文介紹了一種數據格式轉換的設計方案。該方案采用VHDL對一塊CPLD芯片進行編程，使其實現從16位并行數據到8位并行數據的轉換，并將EISA口的數據輸出速率提高一倍，達到信源要求。

1 VHDL的特點

VHDL是一種面向設計的、多層次、多領域且得一致認同的、標準的硬件描述語言。它主要有如下特點：

·能形式化地抽象表示電路的結構和行為，降低了硬件電路設計的難度。

·采用自上到下（Top－Down）的設計方法，支持邏輯設計中層次與領域的描述；它支持三個層次的描述：行為描述、RTL方式描述、門級描述（邏輯綜合）。

·可進行系統的早期仿真以保證設計的正確性。

·主要設計文件是VHDL語言編寫的源程序，便于文檔管理。

·硬件描述與實現工藝無關。

由于VHDL語言已作為一種ＩＥＥＥ的工業標準，因而其語言標準、規范、語法比較嚴格，易于共享和復用。而且，VHDL設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛。目前大多數ＥＤＡ工具幾乎在不同程度上都支持VHDL語言。

２ ＣＰＬＤ外部引腳說明

該方案中所用的芯片是Xilinx公司的CPLD 9500系列芯片，其類型為XC95108－7 PC84。這種芯片共有84個外部引腳，其中5個引腳接地，6個引腳接電源，4個引腳用于JTAG，剩下的引腳為I／O引腳。根據EISA總線的信號特征和信源的要求，該芯片所使用的外部引腳為如圖1所示。

圖1中輸入信號：

ＤＡＴＡ＿ＩＮ 15～0 輸入的數據信號

ＡＤＤＲＥＳＳ 15～0 輸入的地址信號

ＲＥＳＥＴ 復位信號

ＡＥＮ 地址允許信號

ＣＬＫ 輸入時鐘信號

ＩＯＷ Ｉ／Ｏ寫信號

輸出信號：

ＩＯ＿ＣＳ 16位Ｉ／Ｏ片選信號

ＤＡＴＡ＿ＯＵＴ 7～0 輸出的數據信號

ＤＥＮ 輸出數據使能信號

ＤＣＬＫ 輸出數據時鐘信號

3 系統整體設計

系統啟動后，主機向I／O口發出地址信號。AEN為低電平時，系統進行地址譯碼。譯碼成功后，產生一使能信號ENABLE打開數據暫存單元。數據到來后，數據暫存單元將總線上的16位并行數據鎖存在暫存器中，同時產生一允許信號PERMIT，允許進行數據格式轉換。接下來系統根據當前所處的狀態進行選擇輸出，完成格式的轉換，并產生相應的輸出數據使能信號DEN和輸出數據時鐘信號DCLK。整個過程結束后，將各信號復位，開始新的轉換周期。因此，整個系統應包括五個邏輯部分：地址譯碼、數據暫存、狀態控制、復位控制、轉換輸出。

3.1 系統的整體框圖

系統的整體框圖如圖2所示。

3.2 系統的工作時序

轉換過程的時序如圖3所示。

4 VHDL語言描述

4.1 各單元模塊的描述

·地址譯碼單元

計算機與I／O設備間的正確通信是通過對I／O空間的尋址操作來完成的。每個I／O端口都分配了一個地址。在該方案中，將端口的地址設定為0280H，采用完全譯碼的方式。同時為了避免DMA操作控制總線，設計時讓aen亦參與譯碼，并由時鐘信號進行觸發控制。譯碼成功后，產生一使能信號enable（高電平有效），同時將io_cs信號拉低。

·數據暫存單元

enable信號無效時，數據暫存單元為高阻狀態。該信號和寫信號iow（低電平有效）都變為有效后，在接下來的一個時鐘的下降沿（確保采樣時數據有效），將總線上的數據讀入數據暫存單元，并產生一允許信號permit，允許系統進行格式轉換。

·狀態控制單元

這是系統的控制部分。系統狀態的控制是由系統的控制信號simbol、sign在時鐘信號的驅動下實現的。系統每完成一次8位數據的輸出，在同一時鐘的下降沿，狀態發生改變，產生另外一控制信號varb（低電平有效）。復位后，系統又回到初始狀態。狀態變化過程如下：

·轉換輸出單元

轉換輸出單元是系統的核心，它包括三個部分：數據格式的轉換、數據使能信號DEN的輸出、數據時鐘信號DCLK的輸出。數據的轉換輸出是由系統當前所處的狀態決定的。permit信號有效后，在時鐘的上升沿，轉換輸出單元檢測系統狀態：狀態為first時，輸出高8位；狀態為second時，輸出低8位；狀態為third時，系統復位，從而完成一次轉換，開始下一轉換周期。在轉換過程中，系統同時完成對信號simbol、sign（低電平有效）的控制。

輸出數據使能信號DEN是根據MPEG－2標準碼流格式產生的，用于數據信號的同步。在MPEG－2標準中，碼流是以包的形式傳送的。每一個數據包都有一個統一的包標識符PID，它的十六進制形式為47H。從包中的第一個字節（47H）開始，DEN變為有效（高電平），并保持到第188字節。在接下來的16個字節時間里，DEN保持低電平。

輸出數據時鐘信號DCLK用作解復用單元的采樣時鐘，它是由控制信號sign、permit以及系統當前所處的狀態控制產生的。為了保證采樣時數據保持有效，DCLK的輸出比相應的輸出數據要延遲半個機器周期。

·復位控制單元

轉換結束后，需要對系統復位，保證下一轉換的順利進行。復位信號的產生取決于三個控制量：系統當前狀態為third、控制信號varb為低電平、控制信號simbol為高電平。復位后，輸出端為高阻狀態，其他信號均為無效值。系統回到初始狀態。

4.2 系統的門級描述

整個系統的VHDL描述流程如圖4所示。

總之，機頂盒信源發生方案是機頂盒調試過程中的一個重要課題。本文提出的解決方案具有簡單、實用、易實現的特點，經實踐證明是可行的。同時在硬件實現時采用了VHDL的設計方法，也給整個方案提供了很大的靈活性。如果采用傳統的方法來實現該方案，則首先要選擇通用的邏輯器件，然后進行電路設計，完成各獨立功能模塊，再將各功能模塊連接起來，完成整個電路的硬件設計，最后才能進行仿真和調試，直至整個系統的完成。這樣一個過程往往需要比較長的時間，而且費時費力，特別是對一項大的工程。而采用VHDL這類高層設計技術，設計人員只需專心于設計方案和構思上，描述、編譯成功后，經過系統綜合，便可直接進行軟件仿真和調試。整個系統的完成周期大大縮短，而且VHDL與工藝無關，它不限定模擬工具和設計方法，從而給設計師一個自由選擇的余地。

隨著電子工藝的日趨提高與完善，ISP（系統內可編程）功能為 PLD提供了更高的靈活性，使PLD能夠向高密度、大規模的方向發展以滿足復雜系統的要求，從而使可編程ASIC的設計逐步向高層設計轉移。作為一種重要的高層設計技術，VHDL亦成為當代電子設計師們設計數字硬件時必須掌握的一種方法。