EDA课程设计---基于VHDL的HDB3编译码器的设计课题：基于VHDL的HDB3编译码器的设计指导老师：姓名：学号:目录1 绪论 (1)1.1可编程逻辑器件概述 (1)1.1.1 可编程逻辑器件的发展历程 (1)1.1.2 可编程逻辑器件的特点 (2)1.1.3 可编程逻辑器件的一般设计流程 (4)1.1.4 现代数字系统的设计方法 (6)1.2 VHDL语言概述 (7)1.2.1 VHDL语言介绍 (7)1.2.2语言特性、功能与特点 (7)1.2.3 TOP-DOWN的设计思想简介 (8)2 HDB3码介绍 (10)2.1 数字基带信号 (10)2.2 NRZ，AMI，HDB3码之间的对应关系 (10)2.3 HDB3码的编/译码规则 (11)3 用VHDL语言设计HDB3编码器 (13)3.1 HDB3编码器实现的基本原理 (13)3.2 HDB3编码器的设计过程 (13)3.3 HDB3编码器仿真波形 (22)4 用VHDL语言设计HDB3译码器 (23)4.1 HDB3解码器实现的基本原理 (23)4.2 HDB3解码器仿真波形 (24)5. 单/双极性变换的硬件实现 (25)5.1单/双极性变换的硬件实现 (25)6 总结 (27)6.1 系统设计思路小结 (27)6.2 课程设计存在的问题及不足 (28)参考文献 (28)1 绪论1.1可编程逻辑器件概述1.1.1 可编程逻辑器件的发展历程从20世纪60年代开始，数字集成电路经历了小规模集成电路(SSI-SmallScale Interation，几十到几百门)，中规模集成电路(MSI-Medium ScaleIntegration，几百到几千门)，大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration，几千到几万门)，超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration，几百万门以上)等几个发展阶段。
在此期间先后出现了各种不同类型的数字集成电路，从大的方面可以将它们分为三种类型。
1.标准逻辑器件即中小规模集成电路，如TTL工艺的54/74系列和CMOS工艺的CD4000系列的各种逻辑门，触发器，译码器，多路转换器，计数器和寄存器等逻辑器件就属于这一类。
标准器件的生产批量大，成本低，价格便宜。
由于其功能完全确定，版图设计时可将精力投入到提高性能上，因此这种器件的工作速度一般都很快。
它是传统数字系统设计中使用的主要器件，但集成度不高,用它设计的系统器件多，功耗大，而且印刷电路版走线复杂，焊点多，致使系统的可靠性降低。
应为用户无法修改这类器件的功能，使得修改设计时比较麻烦，改动系统中的一个器件往往就需要重新设计印刷电路。
2.由软件配置的集成电路器件20世纪70年代以后陆续推出了由软件配置的微处理器(CPU)和单片机等逻辑器件，它们较好的弥补了上述标准逻辑器件的缺陷。
这类器件集成度高，逻辑功能可由软件自由配置，因而由它们构成的数字系统灵活性大大增强。
但这类器件的工作速度比较底，不能直接用于速度要求特别严格的场合。
另外，这类逻辑器件通常需要有若干标准逻辑器件搭成的外围电路才可以工作，所以硬件规模也较大。
3.专用集成电路ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)ASIC 的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的某些缺点。
ASIC是为了满足一种或几种特定功能而设计并制造的集成电路芯片，他的密度一般都很高，一片ASIC芯片就能取代一块有若干中小规模集成电路芯片搭成的印刷电路板，甚至一个完整的数字电路系统也能用一片ASIC芯片实现。
因此，使用ASIC能大大减小系统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统可靠性，保密性和工作速度。
ASIC按制造方法又可分为全定制(Full Custom)产品，半定制(Semi-custom)产品和可编程逻辑器件(PLD)。
(1)全定制产品全定制的ASIC芯片的各层掩膜都是按特定的电路功能专门制造的。
设计人员从晶体管的版图尺寸，位置和互连线开始设计，以求达到芯片面积利用率高，速度快，功耗低的最优性能。
要经过电路设计，逻辑模拟，版图设计和集成电路的各道生产工序才能制造出符合要求的专用集成电路芯片。
它的设计制作成本高，周期长，还带有较大的风险性，一旦设计失误就会浪费大量自己与设计时间，因此全定制的专用集成电路只在特大批量生产的情况下才适用。
(2) 半定制产品半定制产品是一种约束性设计方式。
约束的主要目的是简化设计，缩短设计周期和提高芯片成品率。
半定制ASIC芯片上的单元电路是由器件生产厂家预先作好的，只剩下金属连接层的掩摸有待按用户的具体要求进行设计与制造。
母片通用性较强，可以大批量生产，因而成本较低。
设计半定制ASIC芯片时，用户根据设计要求及所选母片的结构设计出连线版图，在交器件生产厂家布金属连接线。
最常见的半定制ASIC有门阵列，门海和标准单元等。
半定制ASIC与全定制ASIC相比，当生产量不是很大时，它的设计和生产周期较短，成本低，风险也小。
(3) 可编程逻辑器件以上两种ASIC的设计和制造都离不开器件生产厂家，用户主动性较差。
随着微电子技术的发展，设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，并尽可能缩短设计周期，最好是在实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，在使用中也能比较方便的对设计进行修改。
可编程逻辑器件就是为了满足这一需求应运而生的。
PLD芯片上的电路和金属引线都是事先由器件生产厂家作好的，但其逻辑功能在出厂时并没有确定，可由用户根据需要借助于PLD开发工具通过对其“编程”的办法来确定。
因此设计师们不通过器件生产厂家就能自己设计出符合要求的各种ASIC芯片。
PLD器件兼有逻辑器件速度快、微处理器灵活性好和定制与半定制ASIC集成度高的优点，且大都可多次重复编程，为设计和开发带来很大方便，是实现新型数字系统的理想器件。
1.1.2 可编程逻辑器件的特点PLD的特点是在进行系统设计时体现出来的，使用PLD设计数字系统会带来许多好处，归结起来主要有以下几点。
（1）集成度高PLD器件集成度高，一片PLD可代替几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片。
用PLD器件实现数字系统时用的芯片数量减少，占用印刷线路板面积小，整个系统的硬件规模明显减小。
例如，一个由2片“或”门74LS32、4片“与”门74LS08和4片D触发器74LS74组成的电子游戏机控制电路，用1片GAL16V8即可代替。
（2）可靠性好使用PLD器件减少了实现系统所需要的芯片数目，在印刷线路板上的引线以及焊接点数量也随之减少，所以系统的可靠性得以提高。
（3）工作速度快PLD器件的工作速度快，使用PLD后实现系统所需要的电路级数又少，因而整个系统的工作速度会得到提高。
（4）提高系统的灵活性在系统的研制阶段，由于设计错误或任务的变更而修改设计的事情经常发生，使用不可编程的器件时，修改设计就要更换或增减器件，这是一件相当麻烦的事，有时还不得不更换印刷线路板。
使用PLD器件后情况就大为不同：由于PLD器件引脚比较灵活，又有可擦除可编程能力，因此对原设计进行修改时，只需要修改原设计文件再对PLD芯片重新编程即可，而不需要修改电路布局，更不需要重新加工印刷线路板，这就大大提高了系统的灵活性。
（5）缩短设计周期PLD器件集成度高，使用时印刷线路板电路布局布线简单；性能灵活，使用它修改设计方便；开发工具先进，自动化程度高。
因此，使用PLD可大大缩短系统的设计周期，加快产品投放市场的速度，提高产品的竞争能力。
（6）增加系统的保密性能很多PLD器件都具有加密功能，在系统中广泛使用PLD期间可有效防止产品被他人非法仿制。
（7）降低成本使用PLD器件实现数字系统设计时，如果仅从器件本身的价格考虑，有时还看不出它的优势，但影响系统成本的因素是很多方面，综合考虑，使用PLD的成本优越性是很明显的。
首先，使用PLD器件修改设计方便，设计周期缩短，使系统的研制开发费用降低；其次，使用PLD器件可使印刷线路板面积和需要的插件减少，从而使系统的制造费用降低；再次，使用PLD器件能使系统的可靠性提高，维修工作量减少，进而使系统的维修服务费用降低。
总之，使用PLD进行系统设计能节约成本。
1.1.3 可编程逻辑器件的一般设计流程可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。
可编程逻辑器件的一般设计流程如图1-1所示，包括设计准备，设计输入，功能仿真，设计处理，时序仿真和器件编程及测试等七个步骤。
图1-1 可编程逻辑器件的一般设计流程1．设计准备在系统设计之前，首先要进行的是方案论证，系统设计和器件选择等准备工作。
设计人员需要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。
一般采用自顶向下的设计方法。
2．设计输入设计输入是设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程。
设计输入通常有以下几种形式：（1）原理图输入方式（2）HDL（硬件描述语言）输入方式（3）波形输入方式1）原理图输入方式原理图输入方式是一种最直接的设计描述方式，要设计什么，就从软件系统提供的元件库中调出来，画出原理图。
这种方式要求设计人员有丰富的电路知识及对PLD的结构比较熟悉。
其主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整；缺点是效率低，特别是产品有所改动，需要选用另外一个公司的PLD器件时，就需要重新输入原理图，而采用硬件描述语言输入方式就不存在这个问题。
2）HDL（硬件描述语言）输入方式硬件描述语言是用文本方式描述设计，它分为普通硬件描述语言和行为描述语言。
普通硬件描述语言有ABEL、CUR和LFM等，它们支持逻辑方程。
真值表、状态机等逻辑表达方式，主要用于简单PLD的设计输入。
行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，主要有VHDL和 Verilog HDL两个IEEE标准。
其突出优点有：语言与工艺的无关性，可以使设计人员在系统设计、逻辑验证阶段便确立方案的可行性；语言的公开可利用性，便于实现大规模系统的设计；具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率高，在不同的设计输入库之间的转换非常方便，用不着对底层的电路和PLD结构的熟悉。
3）波形输入方式波形输入方式主要是用来建立和编辑波形设计文件，以及输入仿真向量和功能测试向量。
3．功能仿真功能仿真在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延时信息，仅对初步的功能进行检测。
仿真前，要先利用波形编辑器和硬件描述语言等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察到各个节点的信号变化。
