設(shè)計(jì)一款可編程HAD輔助軟件方案

1、引言

Xilinx 公司和 Altera 公司的設(shè)計(jì)工具中，提供了一些 HDL 形式的電路庫(kù)。不過(guò)庫(kù)單元都是比較簡(jiǎn)單的小規(guī)模數(shù)字電路，如邏輯門(mén)、74 系列器件等，對(duì)中、大規(guī)模和復(fù)雜邏輯時(shí)序電路的設(shè)計(jì)幫助不大。另外也有一些外圍功能模塊和復(fù)雜邏輯的單元庫(kù)提供如通用異步收發(fā)器、有限沖擊響應(yīng)濾波器等，但不是以 HDL 的形式提供的，只適用于某些特定的 PLD 器件，移植性比較差。因此，在實(shí)際工作中編制了一個(gè)管理和組合 HDL 電路單元 IP 庫(kù)的輔助設(shè)計(jì)軟件 --HAD 軟件。通過(guò) HAD 軟件，對(duì)設(shè)計(jì)好的 HDL 電路庫(kù)進(jìn)行管理，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求從庫(kù)中選取相應(yīng)的電路單元并將它們組合起來(lái)，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且有利于系統(tǒng)日后的升級(jí)。

2、 HAD 輔助設(shè)計(jì)軟件功能

輔助設(shè)計(jì)（HAD）軟件主要是對(duì) HDL 語(yǔ)言的電路起一個(gè)輔助設(shè)計(jì)的作用。HAD 軟件的功能有兩個(gè)：管理電路單元 IP 庫(kù)以及生成所需外圍電路的 HDL 程序。

電路單元庫(kù)的管理主要有兩個(gè)方面：電路單元接口的管理以及電路單元 HDL 程序的管理。因此，電路單元庫(kù)是由兩個(gè)庫(kù)組成的，一個(gè)是電路單元的接口庫(kù)，另外一個(gè)是電路單元 HDL 程序庫(kù)［7］。電路單元接口庫(kù)里的基本單位是各個(gè)電路單元的接口信息，電路單元 HDL 程序庫(kù)里的基本單位是描述各種電路單元的 HDL 源程序。類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)芯片，如 8255 芯片，電路單元的接口信息描述了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片的輸入輸出以及它的功能，相當(dāng)于 8255 的管腳和使用功能說(shuō)明；而電路單元 HDL 程序描述了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片內(nèi)部的實(shí)際電路以及用何種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的，這相當(dāng)于 8255 芯片內(nèi)部的電路組成和結(jié)構(gòu)。對(duì)于管理一個(gè)庫(kù)來(lái)說(shuō)，基本的操作主要是新增、刪除和修改庫(kù)單元。

HAD 軟件的最終目的就是生成外圍電路的 HDL 程序。也就是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求從 IP 庫(kù)中選取合適的電路單元，再以適當(dāng)?shù)男问浇M合起來(lái)，成為一個(gè)完整的 HDL 程序。

3、 電路模塊 HDL 程序生成

HAD 軟件中最主要的功能就是電路模塊 HDL 程序的生成。生成電路模塊的 HDL 程序的過(guò)程，主要就是對(duì)電路單元 IP 庫(kù)中的某些單元進(jìn)行若干次例化的過(guò)程。

進(jìn)行例化就必須具備兩個(gè)條件：首先要有模塊輸入輸出端口的列表，其次要知道的是與這些端口相連接的信號(hào)列表。根據(jù)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成例化，然后將例化好的電路模塊組合起來(lái)，成為一個(gè) HDL 程序文件，生成電路模塊 HDL 程序的流程如圖 2 所示：

通過(guò)上面的分析，首先創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)存放各種模塊 HDL 程序的源文件，另外一個(gè)存放與各個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)的輸入輸出端口的信號(hào)列表。

存放 HDL 程序的源文件的數(shù)據(jù)庫(kù)比較簡(jiǎn)單，對(duì)它的操作僅限于對(duì)文件內(nèi)容的復(fù)制，因此這里不作進(jìn)一步的討論。

存放端口信號(hào)列表的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，如表 1 所示。

表 1 中，最上面的一行是數(shù)據(jù)庫(kù)的表頭，字段名代表了每一個(gè)字段下面內(nèi)容的具體含義。其中，module 為電路單元模塊名；detail 為存放模塊端口詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)名；PortN 代表了模塊中某個(gè)端口的名字， N 是自然數(shù)。

從表 1 中第二行開(kāi)始的記錄是不同的模塊。例如，第二行記錄所描述的模塊是帶有一個(gè)異步清零端的 D 觸發(fā)器，模塊名是 DFF，模塊端口的詳細(xì)信息存放在 DFF_D 的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，總共有 4 個(gè)端口，分別是 CLK、CLR、D 和 Q。數(shù)據(jù)庫(kù)文件 DFF_D 中存放的是每個(gè)端口的方向和寬度。

以 DFF 模塊為例，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件 DFF_D 的內(nèi)容如表 2 所示：

數(shù)據(jù)庫(kù)文件 DFF_D 的字段有兩類(lèi)，前一半的字段都是以“Pn_io”的形式出現(xiàn)，代表了這個(gè)端口的流向，是輸入、輸出還是雙向。后一半的字段都是以“Pn_bit”的形式出現(xiàn)，代表了這個(gè)端口信號(hào)的寬度。

通過(guò)上面兩類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以完整地掌握一個(gè)模塊的所有接口信息。

在圖 1 所示的流程圖中，最重要的一步就是 “進(jìn)行例化、組合”。根據(jù)上述幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義和描述，例化和組合的流程如圖 3 所示。圖中兩個(gè)預(yù)備處理（六邊形框）的工作是“例化組合”前的準(zhǔn)備工作。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，確定所需功能模塊的種類(lèi)和數(shù)量，然后由設(shè)計(jì)者來(lái)確定所有模塊及其輸入輸出信號(hào)的名字。這些操作都可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入的方式來(lái)完成，從而將例化和組合過(guò)程中所需的信息傳遞給 HAD 軟件。

確定好所需的模塊之后，就可以逐一地對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行例化。首先打開(kāi)端口信號(hào)列表數(shù)據(jù)庫(kù)，從中找到所選定的模塊。接著，打開(kāi)存放有模塊端口詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取端口的類(lèi)型和數(shù)量，按照指定的連接信號(hào)名對(duì)模塊進(jìn)行例化。最后將例化后的 HDL 程序組合成一個(gè)文件。

4 、管理電路單元庫(kù)程序的設(shè)計(jì)思路

管理電路單元庫(kù)的軟件所具備的功能是對(duì)電路單元進(jìn)行增加、刪除和修改等操作，流程如圖 4 所示。

圖 4 中，管理流程主要由 3 個(gè)處理分支組成，分別是增加、刪除和修改電路單元分支。

電路單元的增加功能就是將電路模塊的 HDL 程序加入到電路單元庫(kù)中。庫(kù)中增加了一個(gè)新的電路單元，意味著又多了一個(gè)功能可供我們選擇。隨著庫(kù)中電路單元的日益增多，硬件設(shè)計(jì)中可以用 HAD 軟件完成的比重就會(huì)越來(lái)越大，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

增加電路單元處理分支的流程如圖 5 所示。增加一個(gè)電路單元涉及到兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，一個(gè)是端口列表數(shù)據(jù)庫(kù)，另外一個(gè)是端口詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，對(duì)端口列表數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行新增的操作，增加一條空記錄，將新模塊的 I/O 名稱(chēng)填入空記錄中的相應(yīng)字段里。然后，新建一個(gè)端口詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)文件。它的字段個(gè)數(shù)是新模塊 I/O 個(gè)數(shù)的兩倍，一半是用來(lái)指定 I/O 的方向，另一半是用來(lái)指定端口信號(hào)的寬度。最后，將 I/O 信號(hào)的方向以及寬度填入新建數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中。處理分支結(jié)束之后再返回到管理流程的入口，重新選擇管理的內(nèi)容。

刪除電路單元處理分支的流程如圖 6 所示。電路單元的刪除功能就是將不再需要的電路單元從庫(kù)中移掉。用程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，只要將該電路單元在數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄刪除，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)一起刪除即可。

修改電路單元處理分支的流程如圖 7 所示。該單元的修改功能就是對(duì)庫(kù)中的電路單元的信息進(jìn)行修正。