1 前言

　　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(guò)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(guò)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。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)需求，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(kāi)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，它在80年代的后期出現(xiàn)。初是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言 。、

    VHDL的英文全寫(xiě)是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言。因此它的應(yīng)用主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。目前，它在中國(guó)的應(yīng)用多數(shù)是用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來(lái)設(shè)計(jì)ASIC。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。
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(mén)級(jí)設(shè)計(jì)方法相比，VHDL語(yǔ)言具有以下特點(diǎn)：

　（1）與其他的硬件描述語(yǔ)言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的硬件描述語(yǔ)言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開(kāi)具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。
  （2）VHDL豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。
  （3）VHDL語(yǔ)句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，
  高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。
  （4）對(duì)于用VHDL完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)的把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門(mén)級(jí)網(wǎng)表。
  （5）VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(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(pán)、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(pán)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(pán)按鍵信號(hào)；兩個(gè)輸出，即鍵盤(pán)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(pán)掃描子模塊、鍵盤(pán)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(guò)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(pán)掃描子模塊

　　該模塊通過(guò)分頻子模塊提供的分頻信號(hào)，逐周期掃描鍵盤(pán)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(pán)的列、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(pán)的列位置。

　　3．3 譯碼子模塊

　　利用鍵盤(pán)掃描子模塊，讀取鍵盤(pán)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(pán)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(wú)法單獨(dú)仿真，只能和其他模塊一起才能工作，所以無(wú)單獨(dú)仿真圖。其功能是獲取鍵盤(pán)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(shuō)明圖5中的信號(hào)含義：CLK_SCAN為鍵盤(pán)掃描信號(hào)，指出當(dāng)前掃描鍵盤(pán)的第幾行；KEY_IN為鍵盤(pán)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(guò)自動(dòng)調(diào)用MAX-7000S系列的EPM7128SLC84-6型EPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且通過(guò)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。