VHDL密碼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真

1 引言

　　隨著電子技術(shù)和ASIC技術(shù)的發(fā)展．?dāng)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)向速度快、容量大、體積小、重量輕的趨勢(shì)發(fā)展。目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)可直接面向用戶需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上而下地逐層完成設(shè)計(jì)過程：描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗(yàn)證，以及器件生成。該設(shè)計(jì)過程除系統(tǒng)行為和功能描述外，其他設(shè)計(jì)幾乎都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)。這樣大大地縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，適應(yīng)當(dāng)今品種多、批量小的電子市場(chǎng)要求，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。由于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化是采用硬件描述語(yǔ)言描述硬件電路，所以研究硬件語(yǔ)言及仿真、綜合等技術(shù)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的首要任務(wù)。本文提出一種利用MAX+plusⅡ開發(fā)軟件環(huán)境和硬件描述語(yǔ)言VHDL的密碼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真分析。

2 VHDL語(yǔ)言特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)

　　VHDL語(yǔ)言即超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言，它是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語(yǔ)言，特別適合描述復(fù)雜的組合邏輯、組運(yùn)算、狀態(tài)機(jī)和真值表。與傳統(tǒng)的門級(jí)設(shè)計(jì)方法相比，VHDL語(yǔ)言具有以下特點(diǎn)：

　　設(shè)計(jì)層次高，用于較復(fù)雜的運(yùn)算時(shí)能盡快發(fā)現(xiàn)問題，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，從而成本降低；與工藝無關(guān)，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，修改方便，系統(tǒng)描述能力強(qiáng)；可讀性好，有利于交流，適合文檔保存；VHDL標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并且可移植性強(qiáng)：VHDL類型多且支持用戶自定義類型，也支持自頂向下的設(shè)計(jì)方法和多種電路設(shè)計(jì)。

　　VHDL語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本語(yǔ)法結(jié)構(gòu)如下：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

　　密碼控制系統(tǒng)包括鍵盤、控制器和顯示器等三部分，如圖1所示。

　　4位密碼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)如下功能：密碼驗(yàn)證功能：即用戶使用鍵盤輸入4位密碼后，按#鍵確認(rèn)。如果輸入密碼正確則輸出000l；如果密碼錯(cuò)誤則輸出00000密碼更改功能：當(dāng)用戶輸入密碼正確后，可在此基礎(chǔ)上更改密碼，即繼續(xù)輸入4位密碼，按+鍵確認(rèn)，該輸入為新密碼。如果密碼更改成功，則輸出1000；作為整體，控制模塊有2個(gè)輸入，即時(shí)鐘信號(hào)和鍵盤按鍵信號(hào)；兩個(gè)輸出，即鍵盤掃描信號(hào)和結(jié)果顯示信號(hào)，具體如圖l所示。該控制模塊總共包括分頻子模塊、鍵盤掃描子模塊、鍵盤譯碼子模塊、控制子模塊以及輸出顯示子模塊，下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程仿真。

3．1 分頻子模塊

　　分頻子模塊將時(shí)鐘分頻為系統(tǒng)所需頻率的時(shí)鐘信號(hào)。通過觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)分頻電路模塊，且級(jí)聯(lián)的觸發(fā)器級(jí)數(shù)不同，分頻也不同。級(jí)數(shù)越多頻率越低，并按照一定的規(guī)律而降低，即頻率隨級(jí)數(shù)的增加以分比為l／2的速率降低。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)分頻，其仿真如圖2所示。由圖2可以看出，CLK—A、CLK—B、VLK—B0和CLK—Bl的頻率成倍遞減。

3．2 鍵盤掃描子模塊

　　該模塊通過分頻子模塊提供的分頻信號(hào)，逐周期掃描鍵盤的每一行，其信號(hào)分別是lll0、110l、lOll和0111，如此循環(huán)．即逐周期選中鍵盤的第一列、第二列、第三列和第四列，實(shí)現(xiàn)仿真如圖3所示。由圖3看出，CLK_SCAN 4位信號(hào)中0的位置代表鍵盤的列位置。

3．3 譯碼子模塊

　　利用鍵盤掃描子模塊，讀取鍵盤的輸入信號(hào)，判斷哪一個(gè)按鍵被按下，仿真如圖4所示。由圖4看出，_KEYBOARD是掃描周期，C是鍵盤按鍵后的輸出信號(hào)值；FLAG_NUMB表示按下的是數(shù)字鍵(值為1)，OUT_NUMB表示按下的鍵號(hào)，其中15表示功能鍵(#鍵和*鍵)；其余數(shù)字即為其相應(yīng)號(hào)碼鍵。FLAG FUNC表示按下的是功能鍵(值為1)；OUT FUNC表示其按鍵值，0100表示*鍵，000l表示#鍵，1000表示數(shù)字鍵。

3．4 控制子模塊

　　由于控制子模塊無法單獨(dú)仿真，只能和其他模塊一起才能工作，所以無單獨(dú)仿真圖。其功能是獲取鍵盤輸入，按規(guī)則進(jìn)行判斷并完成相應(yīng)操作(正確、錯(cuò)誤、設(shè)置密碼、輸出結(jié)果等)。

3．5 總體仿真

　　圖5所示為系統(tǒng)總體仿真圖，以下說明圖5中的信號(hào)含義：CLK_SCAN為鍵盤掃描信號(hào)，指出當(dāng)前掃描鍵盤的第幾行；KEY_IN為鍵盤按鍵輸入信號(hào)，指出當(dāng)前掃描行的哪一按鍵被按下：SHOW為判斷結(jié)果，0表示密碼不匹配、1表示密碼正確、8表示修改密碼成功。ACC為內(nèi)部移位寄存器。臨時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，用于暫存用戶輸入的密碼；REG為內(nèi)部移位寄存器，臨時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，用于保存密碼；NC為內(nèi)部信號(hào)，用于表示當(dāng)前已輸入數(shù)據(jù)數(shù)．或者表示用戶按數(shù)字鍵的次數(shù)。

　　根據(jù)圖5所示的總體仿真圖，可導(dǎo)出密碼控制系統(tǒng)電路，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過自動(dòng)調(diào)用MAX-7000S系列的EPM7128SLC84-6型EPGA器件來實(shí)現(xiàn)。并且通過系統(tǒng)總體仿真圖能看出設(shè)計(jì)的密碼控制系統(tǒng)完全符合要求。