一種用VHDL設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的有線電視機(jī)頂盒信源發(fā)生方案

　　VHDL是隨著可編輯邏輯器件(PLD)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種硬件描述語(yǔ)言。它是1980年美國(guó)國(guó)防部VHSIC(超高速集成電路)計(jì)劃的一部分，并于1986年和1987年分別成為美國(guó)國(guó)防部和IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為一種硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，VHDL具有極強(qiáng)的描述能力，能支持系統(tǒng)行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和門級(jí)三個(gè)不同層次的設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)師將在TOP-DOWN設(shè)計(jì)的全過程中均可方便地使用同一種語(yǔ)言。而且，VHDL設(shè)計(jì)是一種“概念驅(qū)動(dòng)式”的高層設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員毋需通過門級(jí)原理圖描述電路，而是針對(duì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述，由于擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)人員可以專心于設(shè)計(jì)方案和構(gòu)思上，因此設(shè)計(jì)工作省時(shí)省力，加快了設(shè)計(jì)周期，并且工藝轉(zhuǎn)換變得輕松。VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)可編程專用集成電路(ASIC)的發(fā)展起著極為重要的作用。

　　自從微軟提出“維納斯”計(jì)劃后，機(jī)頂盒便成為信息產(chǎn)業(yè)追逐的主要目標(biāo)，也是信息家電中的主流產(chǎn)品。各國(guó)都在加緊對(duì)機(jī)頂盒的開發(fā)，我國(guó)也提出了相應(yīng)的“女媧”計(jì)劃，全國(guó)許多科研單位與生產(chǎn)廠家都在進(jìn)行這方面的研究。由于我國(guó)有線電視資源豐富，市場(chǎng)前景很大，因而對(duì)有線電視機(jī)頂盒的研究也就格外引人注目。然而，由于我國(guó)還未完全開展數(shù)字電視業(yè)務(wù)，因而在機(jī)頂盒的調(diào)試過程中，要找到合適的信號(hào)源是很不容易的，不得不采用通過計(jì)算機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻碼流的方式來實(shí)現(xiàn)?？纱蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)EISA總線并行輸出的數(shù)據(jù)速率都難以滿足實(shí)際工作的需要。雖然EISA總線可以一次輸出16位并行數(shù)據(jù)，但這對(duì)于一次只能處理8位并行數(shù)據(jù)的器件來說，仍需要一個(gè)轉(zhuǎn)換過程。本文介紹了一種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方案。該方案采用VHDL對(duì)一塊CPLD芯片進(jìn)行編程，使其實(shí)現(xiàn)從16位并行數(shù)據(jù)到8位并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將EISA口的數(shù)據(jù)輸出速率提高一倍，達(dá)到信源要求。

　　1 VHDL的特點(diǎn)

　　VHDL是一種面向設(shè)計(jì)的、多層次、多領(lǐng)域且得一致認(rèn)同的、標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言。它主要有如下特點(diǎn)：

　　能形式化地抽象表示電路的結(jié)構(gòu)和行為，降低了硬件電路設(shè)計(jì)的難度。

　　采用自上到下(Top-Down)的設(shè)計(jì)方法，支持邏輯設(shè)計(jì)中層次與領(lǐng)域的描述;它支持三個(gè)層次的描述：行為描述、RTL方式描述、門級(jí)描述(邏輯綜合)。

　　可進(jìn)行系統(tǒng)的早期仿真以保證設(shè)計(jì)的正確性。

　　主要設(shè)計(jì)文件是VHDL語(yǔ)言編寫的源程序，便于文檔管理。

　　硬件描述與實(shí)現(xiàn)工藝無關(guān)。

　　由于VHDL語(yǔ)言已作為一種IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因而其語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、語(yǔ)法比較嚴(yán)格，易于共享和復(fù)用。而且，VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛。目前大多數(shù)EDA工具幾乎在不同程度上都支持VHDL語(yǔ)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(gè)外部引腳，其中5個(gè)引腳接地，6個(gè)引腳接電源，4個(gè)引腳用于JTAG，剩下的引腳為I/O引腳。根據(jù)EISA總線的信號(hào)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(hào)：

　　DATA_IN 15～0 輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)

　　ADDRESS 15～0 輸入的地址信號(hào)

　　RESET 復(fù)位信號(hào)

　　AEN 地址允許信號(hào)

　　CLK 輸入時(shí)鐘信號(hào)

　　IOW I/O寫信號(hào)

　　輸出信號(hào)：

　　IO_CS 16位I/O片選信號(hào)

　　DATA_OUT 7～0 輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)

　　DEN 輸出數(shù)據(jù)使能信號(hào)

　　DCLK 輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)

　　3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后，主機(jī)向I/O口發(fā)出地址信號(hào)。AEN為低電平時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行地址譯碼。譯碼成功后，產(chǎn)生一使能信號(hào)ENABLE打開數(shù)據(jù)暫存單元。數(shù)據(jù)到來后，數(shù)據(jù)暫存單元將總線上的16位并行數(shù)據(jù)鎖存在暫存器中，同時(shí)產(chǎn)生一允許信號(hào)PERMIT，允許進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。接下來系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)進(jìn)行選擇輸出，完成格式的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)使能信號(hào)DEN和輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)DCLK。整個(gè)過程結(jié)束后，將各信號(hào)復(fù)位，開始新的轉(zhuǎn)換周期。因此，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包括五個(gè)邏輯部分：地址譯碼、數(shù)據(jù)暫存、狀態(tài)控制、復(fù)位控制、轉(zhuǎn)換輸出。

　　3.1 系統(tǒng)的整體框圖

　　系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

　　3.2 系統(tǒng)的工作時(shí)序

　　轉(zhuǎn)換過程的時(shí)序如圖3所示。

　　4 VHDL語(yǔ)言描述

　　4.1 各單元模塊的描述

　　地址譯碼單元

　　計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備間的正確通信是通過對(duì)I/O空間的尋址操作來完成的。每個(gè)I/O端口都分配了一個(gè)地址。在該方案中，將端口的地址設(shè)定為0280H，采用完全譯碼的方式。同時(shí)為了避免DMA操作控制總線，設(shè)計(jì)時(shí)讓aen亦參與譯碼，并由時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)控制。譯碼成功后，產(chǎn)生一使能信號(hào)enable(高電平有效)，同時(shí)將io_cs信號(hào)拉低。

　　數(shù)據(jù)暫存單元

　　enable信號(hào)無效時(shí)，數(shù)據(jù)暫存單元為高阻狀態(tài)。該信號(hào)和寫信號(hào)iow(低電平有效)都變?yōu)橛行Ш?，在接下來的一個(gè)時(shí)鐘的下降沿(確保采樣時(shí)數(shù)據(jù)有效)，將總線上的數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)暫存單元，并產(chǎn)生一允許信號(hào)permit，允許系統(tǒng)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

　　狀態(tài)控制單元

　　這是系統(tǒng)的控制部分。系統(tǒng)狀態(tài)的控制是由系統(tǒng)的控制信號(hào)simbol、sign在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)每完成一次8位數(shù)據(jù)的輸出，在同一時(shí)鐘的下降沿，狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生另外一控制信號(hào)varb(低電平有效)。復(fù)位后，系統(tǒng)又回到初始狀態(tài)。狀態(tài)變化過程如下：

　　轉(zhuǎn)換輸出單元

　　轉(zhuǎn)換輸出單元是系統(tǒng)的核心，它包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)使能信號(hào)DEN的輸出、數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)DCLK的輸出。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換輸出是由系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)決定的。permit信號(hào)有效后，在時(shí)鐘的上升沿，轉(zhuǎn)換輸出單元檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)：狀態(tài)為first時(shí)，輸出高8位;狀態(tài)為second時(shí)，輸出低8位;狀態(tài)為third時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，從而完成一次轉(zhuǎn)換，開始下一轉(zhuǎn)換周期。在轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)同時(shí)完成對(duì)信號(hào)simbol、sign(低電平有效)的控制。

　　輸出數(shù)據(jù)使能信號(hào)DEN是根據(jù)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)碼流格式產(chǎn)生的，用于數(shù)據(jù)信號(hào)的同步。在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中，碼流是以包的形式傳送的。每一個(gè)數(shù)據(jù)包都有一個(gè)統(tǒng)一的包標(biāo)識(shí)符PID，它的十六進(jìn)制形式為47H。從包中的第一個(gè)字節(jié)(47H)開始，DEN變?yōu)橛行?高電平)，并保持到第188字節(jié)。在接下來的16個(gè)字節(jié)時(shí)間里，DEN保持低電平。

　　輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)DCLK用作解復(fù)用單元的采樣時(shí)鐘，它是由控制信號(hào)sign、permit以及系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)控制產(chǎn)生的。為了保證采樣時(shí)數(shù)據(jù)保持有效，DCLK的輸出比相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)要延遲半個(gè)機(jī)器周期。

　　復(fù)位控制單元

　　轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要對(duì)系統(tǒng)復(fù)位，保證下一轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行。復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生取決于三個(gè)控制量：系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為third、控制信號(hào)varb為低電平、控制信號(hào)simbol為高電平。復(fù)位后，輸出端為高阻狀態(tài)，其他信號(hào)均為無效值。系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

　　4.2 系統(tǒng)的門級(jí)描述

　　整個(gè)系統(tǒng)的VHDL描述流程如圖4所示。

　　總之，機(jī)頂盒信源發(fā)生方案是機(jī)頂盒調(diào)試過程中的一個(gè)重要課題。本文提出的解決方案具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明是可行的。同時(shí)在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了VHDL的設(shè)計(jì)方法，也給整個(gè)方案提供了很大的靈活性。如果采用傳統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)該方案，則首先要選擇通用的邏輯器件，然后進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，完成各獨(dú)立功能模塊，再將各功能模塊連接起來，完成整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)，最后才能進(jìn)行仿真和調(diào)試，直至整個(gè)系統(tǒng)的完成。這樣一個(gè)過程往往需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是對(duì)一項(xiàng)大的工程。而采用VHDL這類高層設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員只需專心于設(shè)計(jì)方案和構(gòu)思上，描述、編譯成功后，經(jīng)過系統(tǒng)綜合，便可直接進(jìn)行軟件仿真和調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)的完成周期大大縮短，而且VHDL與工藝無關(guān)，它不限定模擬工具和設(shè)計(jì)方法，從而給設(shè)計(jì)師一個(gè)自由選擇的余地。

　　隨著電子工藝的日趨提高與完善，ISP(系統(tǒng)內(nèi)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(guī)模的方向發(fā)展以滿足復(fù)雜系統(tǒng)的要求，從而使可編程ASIC的設(shè)計(jì)逐步向高層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移。作為一種重要的高層設(shè)計(jì)技術(shù)，VHDL亦成為當(dāng)代電子設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)數(shù)字硬件時(shí)必須掌握的一種方法。