通信工程毕业设计论文基于FPGA的交通灯控制系统.doc

毕 业 设 计（论 文）基于FPGA的交通灯控制系统系别：电子工程系专业名称：通信工程学生姓名：学号：指导教师姓名、职称：完成日期 2009年 05月20日毕业设计（论文）任务书系 别：电子工程系专 业：05通信工程学 生 姓 名：学 号：设计（论文）题目基于FPGA的交通灯控制系统起 迄 日 期:2008年10月1日2009年5月30日设计(论文)地点:电子科技大学中山学院指 导 教 师:专业教研室负责人:发任务书日期:2008年11月15日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1.本毕业设计（论文）课题应达到的目的：通过这次毕业设计，使学生掌握并利用EDA的软件编程技术，运用所学的VHDL电路设计、电路知识设计系统实现交通灯系统控制，并运用Quartus进行仿真实现，检验该方法性能，最后完成基本的交通灯系统控制设计,从而达到提高对移动通信原理理解能力，增强编程能力,增强实践应用能力。2.本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：（1）设计一种交通灯控制系统实现城市十字交叉路口红绿灯的控制。利用基于VHDL的EDA设计工具，采用大规模可编程逻辑器件FPGA，通过设计芯片来实现系统功能（2）对所设计的交通灯控制系统进行Quartus仿真实现，验证算法性能。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3.对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计、论文、图表、实物样品等：毕业设计论文一篇，需符合学校要求；4.主要参考文献：1.2 辛春艳，VHDL硬件描述语言M,北京.国防工业出版社.2002.P33 李景华，可编程逻辑器件与EDA技术.M.东北大学出版.2000。P2434刘昌华，数字逻辑EDA设计与实践，北京.国防工业出版社，2006.85赵丹. 逻辑控制在交通灯上的研究与应用D. 武汉理工大学: ,2008.6王正勇,. 基于FPGA的交通信号控制器的设计J. 电子测量技术,2008,(10).7李国栋,任志平,. 基于FPGA技术的交通灯控制系统设计J. 现代电子技术,2008,(17).8罗勇,韩晓军,. 基于FPGA的交通灯控制与实现J. 电子器件,2008,(3).9蓝运维,. 基于FPGA的交通灯控制系统的仿真J. 现代电子技术,2006,(9).10David.R.coelho.The VHDL Handbook.Boston:Vantage Analysis.inc,1993.11Altera Corportation.Max+plusHandbook.毕 业 设 计（论 文）任 务 书5.本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2008.102008.12 学习VHDL电路设计、交通技术、EDA编程知识。2009.012009.03研究并分析交通灯系统，用VHDL 和Quartus实现并测试调试，并不断修改完善。2009.042009.04进一步的完善软件，并开始着手论文的写作。2009.052009.05完善论文的写作及相关程序的整理工作，准备毕业答辩。指导教师审查意见：同意实施指导教师（签名）： 2008年 11月10日 基于FPGA的交通灯控制系统 摘要EDA技术是依靠功能强大的电子计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编辑、化简、分割、综合、优化和仿真,直至下载到FPGA,实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本。实现路口交通灯系统的控制方法很多,可以用标准逻辑器件,可编程控制器PLC,单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持,在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此,在设计中采用EDA技术,应用目前广泛应用的Verilog HDL硬件电路描述语言,实现交通灯系统控制器的设计,利用Xilinx公司的Xilinx ISE8.2i和Model-Sim6.1f软件集成开发环境进行综合、仿真,并下载到FPGA中完成系统的控制作用。交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分,对于保证机动车辆的安全运行,维持城市道路的顺畅起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通灯实行的是定时控制,灯亮的时间是预先设定好的,在时间和空间方面的应变性能较差,一定程度上造成了交通资源的浪费,加重了道路交通压力。实现路口交通灯的控制方法很多。本文通过综合分析与比较后确定EDA技术为本文欲采取的最佳设计方案。然后用VHDL硬件描述语言分别对各个模块进行参数设计以及软件编程。将硬件电路与软件编程相结合使得各模块的实现功能变得详实而具体。本文在最后对各个部分调试过程中出现的问题也进行了描述以及提供了解决的方法。而且给出了部分模块的波形仿真图.关键词：可编程逻辑控制（FPGA），EDA技术，VHDL。 Fpga-based Control System for Traffic Lights AbstractEDA technology is relying on a powerful computer in the EDA software platform, on the hardware description language HDL (Hardware Description Language to describe the logic for the system means the completion of the design documents, automatic completion of the logic of editing, simplification, segmentation, integration, optimization and simulation, until downloaded to the FPGA, to achieve the established function of electronic circuit design. EDA technology enables designers of electronic circuits work is limited to the use of hardware description language and EDA software platform to complete the function of the realization of system hardware, has greatly improved the design of efficiency and shortened the design cycle, saving the cost of the design. the realization of the junction of traffic signal systems to control many ways, you can use standard logic devices, programmable logic controller PLC, single-chip and other programs to achieve. However, such controls the function of modification and commissioning will need the support of hardware circuit, to some extent, an increase of functional changes and system debugging difficulties. Therefore, in the design of the use of EDA technologies, applications currently widely used Verilog HDL hardware description language, to achieve the traffic light system controller the design, the use of Xilinx Corporation Xilinx ISE8.2i and Model-Sim6.1f software integrated development environment integrated, simulation, and downloaded to the FPGA in the completion of system control.Traffic lights urban traffic monitoring system is an important part in ensuring the safe operation of motor vehicles, maintenance of city roads played an important role in smoothly. At present, many cities at the crossroads of traffic lights is one of timing control, lights the time is pre-set right, in time and space contingency poor performance, to some extent, resulted in traffic waste of resources, increased the pressure on road traffic.To achieve the control of traffic lights at the junction many ways. In this paper, after a comprehensive analysis and comparison of EDA technology to determine the best of this article For design. And then use the VHDL hardware description language, respectively, the parameters of each module design and software programming. The hardware circuits and software programming makes the combination of the module features become detailed and concrete. In this paper, in the final of the various parts of debugging problems arising in the course have also been described, as well as provide a solution. And given some of the waveform simulation module map.Key words: programmable logic control (FPGA), EDA Technology,VHDL.目 录1绪 论11.1引言11.2国内外研究现状21.3 课题研究的目的和意义42 VHDL电路理论62.1硬件描述语言介绍62.2 VHDL语言的发展与特点72.3 VHDL语言的开发流程82.4 可编程逻辑器件简介102.5 本章小结113 FPGA的控制系统的设计技术123.1可编程逻辑器件以及EDA技术123.2FPGA的概述123.3FLEX10K系列器件以及EPF10K10芯片特点133.4FPGA基本开发流程与开发工具143.5 单片机控制系统的设计技术143.5.1单片机的发展以及应用143.5.2单片机的组成以及特点163.6 EDA与单片机技术的方案确认173.7本章小结184十字路口交通控制器结构设计194.1系统的功能194.2 十字路口交通控制系统设计194.2.1设计要求194.2.2 系统设计194.2.3 红绿灯交通控制器的层次化设计方案204.3本章小结345 总结和展望355.1 总结355.2 工作展望35参 考 文 献36致 谢37 1绪 论 1.1引言随着城市化的进程加快和汽车的普及，交通拥挤加剧，事故频发，环境日益恶化，交通问题己经成为困扰全世界的严重问题。交通秩序的恶化已影响了现代化的城市建设和国民经济的发展。其中交通灯信号是管理交通网络的最重要元素，而街道各路口又是车辆通行瓶颈所在。研究车辆的通行规律，根据实际情况制定相应的通行规则对缓解交通阻塞，提高路口车辆通行的效率具有非常重要的现实意义。本文就是通过对城市十字路口各交通灯的控制情况进行分析，找出共同的特征和规律，并用逻辑控制的思想制定相应的交通规则，以保证各路口车辆的顺利通行。逻辑控制中引入了语言叙述的“系统陈述”最基本的方法。实际上是试图将“系统陈述”从自然语言对系统的描述中解放出来，从而形成突出逻辑规律的可运算的符号设计方法。接近人类思维本身而便于复杂系统设计和电路设计。将逻辑控制用于交通灯的控制中，用语言的方式将控制规则陈述出来，其过程简单易懂。20世纪末，数字电子技术飞速发展，有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高，数字电子技术经渗透到人类生活的各个方面。从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化航天技术，都尽可能采用了数字电子技术。现代电子设计技术的核心是EDA技术。EDA(电子设计自动化)技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对硬件语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作(文本选用的开发工具为Altera公司的Quartusll)。EDA的仿真测试技术只需要通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度。利用硬件描述语言(如VHDL)的优势即可以直接从程序中修改错误及系统功能而不需要硬件电路的支持。实现路口交通灯系统的控制方法很多,可以用标准逻辑器件,可编程控制器PLC,单片机等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持,在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此,在设计中采用EDA技术,应用目前广泛应用的Verilog HDL硬件电路描述语言,实现交通灯系统控制器的设计,利用Xilinx公司的Xilinx ISE8.2i和Model-Sim6.1f软件集成开发环境进行综合、仿真,并下载到FPGA中完成系统的控制作用。将EDA技术用于智能交通灯上，可对交通灯的各种变化情况进行一一地编程、测试与分析，从而完成对整个十字路口交通灯系统设计。EDA技术的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。1.2国内外研究现状 实现路口交通灯系统控制的方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程控制器PLC、单片机等方案来实现。使用单片机则利用89C51为控制核心来实现交通灯智能控制，只能执行定时算法，以RSZ犯或者RS485作为通一讯方式;PLC多半与模糊控制相结合，设计出模糊控制器;但是这些控制方法的功能修改都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了设计难度。在国外几个先进的国家已经采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等，但相对来说成本较高。不适合国内目前的发展状况。但随着EDA技术的出现，人们可以在没有设计电路之前就把CPLD或FPGA焊接在印刷电路板上，然后利用VHDL语言随心所欲地改变整个电路的硬件逻辑关系而不必改变电路板的布局布线。利用FPGA的可重复编程和动态系统重构的特性，大大地提高了数字系统设计的灵活性和通用性。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作:IC设计，电子电路设计，PCB设计。随着电子技术的发展，EDA技术己广泛应用于机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域。以前，大多采用通用的逻辑元器件进行设计，这导致了设计和调试过程冗长、系统稳定性不高，非常不便。如今，随着以FPGA和CPLD为代表的可编程ASIC技术的日趋成熟和完善，用户完全可以根据自己的要求，以EDA技术作为开发手段，用一块FPGA或CPLD设计出符合自己需要的芯片。FPGA在现代通信领域方面获得广泛应用。 在数字逻辑系统设计中，目前，即FPGA/CPLD能够实现从几千门的接口逻辑电路到数百万门的庞大数字逻辑系统的设计，结合IP(Intellectual Property)Core(如 USB Core PCI Core和DSP core等)和功能强大的EDA软件可以构建出非常复杂的数字电子系统。Xc9500系列是 Xi1inx公司采用创新的FastfLASH技术制造的CPLD产品，最高可完成1万门的数字逻辑系统的设汁，目前有5V、3.3V和2.5V3个版本工作电压，具有特殊的系统内编程(ISP)能力，编程/擦除的次数较其他公司的CPLD高1至2个数量级。XC950O系列器件通过标准的4脚JTAG协议实现在系统内编程，它的扩展IEEE一1149.1边界扫描指令集允许器件编程模式扩展和实现系统内诊断。利用xilinx公司提供的Foundation2.11FPGA/CPLD开发系统和Xchecker串行编程电缆可方便地实现数字逻辑系统的开发和ISP在系统编程。FPGA/CPLD和嵌入式微控制器(如8051)结合使用可以更灵活地实现ISP在系统编程。 在图像处理方面，现代化生产和科学研究对图像采集系统的要求日益提高，传统的图像采集卡速度慢，处理功能简单，不能很好地满足特殊要求。因此，我们构建了高速图像采集系统。它主要包括图像采集模块，图像低级出处理模块以及总线接口模块等。这些模块是在FPGA中利用VHDL编程实现的。高速图像采集系统主要用于视觉检测。视觉检测中图像处理的特点是“底层图像处理算法复杂，数据量小，对于图像地产处理，我们在高速图像采集系统中用FPGA实现，采用VHDL编写图像处理算法，对于图像高层处理，由计算机软件实现。由于VHDL设计灵活，编程方便，易于在FP以中实现并行运算和流水线结构，所以高速图像采集系统的速度快，适应性就好。 在生物领域，己故A.Richard Newton将微电子制造和设计方法应用到新兴的合成生物学领域。Newton是EDA产业的创始人，他研究的一个方向是合成生物学，以工程的方法生产生物有机体的新学科。他去世前曾宣布，未来属于生物设计自动化(bio design automation(BDA)。他认为，合成生物学获得成功需要的要素与使微电子学获得成功的三个要素相同:可伸缩、可靠的制造工艺;可伸缩的设计方法学;对计算模型的清晰理解。微电子学的技术能够应用到生物学，反之亦然。他展示了一个生物振荡器，基因制造的一种蛋白质可用于打开和关闭振荡器。合成生物学要获得成功需要一种真正可伸缩的设计平台，而这是EDA的真正遗产。在计算机处理器设计上，美国Window Systems公司正在推出一款服务器中的处理器竟然是用Xilinx公司的即FPGA设计成的。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有DVD播放机大小，工作能力却相当于甚至超过50台戴尔、IBM或SUN公司售价5000美元的服务器，其成本仅为2.5万美元。我们知道，传统的个人电脑及服务器通常都采用英特尔的奔腾处理器或SUN计算机系统公司的S以RC芯片作为中央处理单元，而Window Systems的这一产品却没有采用传统的微处理器，选用现场可编程门阵列(FPGA)芯片来驱动。尽管FPGA芯片的主频速度比奔腾处理器慢，但却可并行完成多项任务，即微处理器在每一时间节拍(如某一指令周期)中只能执行一条指令，完成一次操作。因此，其服务器处理的速度比普通服务器快50到300倍。 美国的Time Logic公司也间接受益于FPGA芯片。戴尔和SUN公司生产的某些标准服务器也采用Altera公司的FPGA芯片。Time Logic公司对这些标准服务器加以改进后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备。Annapolis Micro Systems公司也在其计算机电路板中集成了Xi1inx的FPGA芯片，以提高产品性能。尽管这种产品的平均售价高达2.5万美元，但是其销售量却比以前翻了一番。而美国的Blue Arc公司采用了FPGA开发出一种存储器产品，其存取速度比Network Appliance和EMC公司的竞争产品更快。Mid Stream Technologies公司则采用FPGA芯片为有线电视运营商开发视频流服务器。这款服务器采用了2片FPGA芯片，可同时提供425路视频流信号，经基于通用微处理器的服务器速度快得多。以基于EDA开发技术的FPGA实现的处理器在超级计算机的设计中也将有其一席之地。传统的超级计算机应该是科技世界中的极品，其售价奇高、速度飞快，它集成了数以千计的微处理器。但这种超级计算机也浪费了非常多的芯片资源，每个处理器只能进行单任务操作，大部分功能难以充分发挥。如果采用FPGA来武装超级电脑，在发挥FPGA原有的并行工作的基础上，利用FPGA的可重配置特性，即针对不同的处理任务和算法模型，现场配置进FPGA相应处理器结构文件，从而使得同一硬件电路结构在不同的时间段，形成不同的等效硬件结构以效地对付不同的处理任务。例如，此超级计算机某一段瞬间可以用于预报全球天气状况，下一时间则能用于根据某一公司的主要利率对冲情况来评估券市场的风险，然后又进入基因组合核对的分析等等。 在电路设计方面，为帮助设计人员应对电路设计规模日益增加以及高速电路广泛应用所带来的种种设计挑战，EDA工具供应商不断改进技术，开发增强功能设计工具，以满足严苛产品设计周期和复杂的电路设计要求。AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，可同时进行原理图、PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。此次发布的强大功能包括:元件的三维STEP文件导入;完整电路板装配的三维STEP导出;三维阴影和按层显示对象颜色;增强的透明层模式选项;FPGA器件电源监控;实现原理图/器件表转换的设计重构功能AltiumDesigner6.9还拥有新增的FPGA外设内核(同时支持Open Bus和原理图设计)、上下文关联C语言帮助、将三维图片输入Windows剪贴板的功能，以及诸如单位切换、三维原点标一记等新增的用户界面功能。强大的3D功能使得电子设计与机械结构设计紧密联系在一起，大幅提高设计效率，缩短产品开发周期。 在汽车电子方面，汽车电子标准化工作的进展正在为相关设计工具的需求推波助澜。举例来说，目前车内电子子系统的数量已经多达20多个，生产商甚至需要一个服务器来进行管理。虽然这种复杂系统在航空市场已经出现了很久，但应用太过专业和尖端，因而无法得到大量普及。但现在不同了，许多标准汽车电子行业正在陆续涌现。而飞利浦和西门子等大型汽车电子企业也在努力推动更多的标准化作。”EDA厂商如果能够尽快在该领域占领一席之地，无疑意味着丰厚的回报。而采用EDA系统进行设计的电子部分一旦成形，许多部分还能够进行复用。这对数量日益增多的汽车电子企业和实力雄厚的整车企业来说，无疑具有很高的吸引力具体而言，在汽车电子EDA需求中，首当其冲的便是电缆和线束的排线设计。1.3 课题研究的目的和意义 可编程逻辑设计是近年来在电子设计领域中出现的一门新技术,它把复杂的数字系统转化为用一两个可编程逻辑器件即可实现的“片上”系统;把系统的更新换代转化为简单的在系统编程设计;把后期的系统调试转移到设计实现之前在计算机上进行的时序仿真.这种新的技术将使硬件设计向软件化方向发展,大大简化数字系统的开发过程,使数字系统不再需要大量不同种类的芯片及芯片之间的复杂连线,不再需要一次又一次地调试硬件电路并反复修改、制作电路。有效地减少系统体积,增加系统的可靠性,而且缩短开发周期,降低研制成本.基于FPGA(Field Programmable Gates Ar-ray)的设计具有串、并行工作方式和高速、高可靠性、规模大、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定等优点,因而在电子系统中得到广泛应用。本文利用VHDL硬件描述语言,以及SOPC嵌入式系统设计,并通过Quartus软件和Altera公司的Cy-clone系列FPGA完成了交通灯控制系统的设计,并对结果进行了模拟仿真。 随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代交通监管系统的重要组成部分,本文应用FPGA设计实现交通灯控制功能。1.4 课题研究的主要内容本课题主要研究了基于FPGA的交通灯控制系统的应用，在论文中主要完成了以下工作：<1>研究了VHDL电路设计。<2)研究了EDA技术原理以及其核心芯片FPGA的功能及其特点。比较了应用EDA技术与单片机控制技术在智能交通灯硬件设计上的优势。<3)用EDA控制技术设计了系统总体框架结构：时钟产生电路模块、红绿灯信号译码电路模块、定时控制模块、红绿灯计数时间模块。本论文重点讨论了如何将FPGA应用于交通灯的控制上，以及用EDA技术模拟十字路口进行硬件设计与软件编程。在下面几章里将论VHDL电路设计及其运用，利用VHDL硬件描述语言,以及SOPC嵌入式系统设计,并通过Quartus软件和Xilinx公司的Xilinx ISE8.2i和Model-Sim6.1f系列FPGA完成了交通灯控制系统的设计,并对结果进行了模拟仿真。 2 VHDL电路理论2.1硬件描述语言介绍硬件描述语言（Hard Description Language,HDL）是一种对于数字电路和系统进行性能描述和模拟的语言，即利用高级语言来描述硬件电路的功能、信号连接关系以及器件间的时序关系。数字电路和数字系统设计者利用这种语言来描述自己的设计思想,然后利用电子设计自动化工具进行仿真、综合,最后利用专用集成电路或可编程逻辑器件来实现其设计功能。其设计理念是将硬件设计软件化，即采用软件的方式来描述硬件电路。传统的数字电路设计方法，需要在整个产品设计完成之后，才能进行产品测试和设计和设计的验证，因此一旦设计出现问题，需要在设计流程的最后才能发现并进行修改，直到设计的产品完全符合设计要求。而采用硬件描述语言，可以在数字系统的设计阶段对系统性能进行描述和模拟仿真，可以在设计初期发现和修改绝大多数错误，这样缩短了硬件开发的时间，减少了硬件设计的成本，因此这种被称为高层次设计的方法目前已经得到了广泛的应用。硬件描述语言自20世纪70年代在学术界开始使用，发展自今，已有30年的历史。但是最初由于各个EDA公司均开发支持自己公司的硬件描述语言，导致硬件描述语言产品 很多，互相之间不能同用，语言本身的性能也不够完善，影响了这种设计工具的推广。直到20世纪80年代，标准化的 硬件描述语言开始研究和应用，VHDL和Verilog HDL两种硬件描述语言先后成为IEEE的标准，采用硬件语言描述的设计方法才能得到了广泛的应用。与传统的原理图设计方法相比较，硬件描述语言能更有效表示硬件电路的特性，具有更多优点。（1） 用硬件描述语言（HDL）设计电路嫩能够获得非常抽象的描述，设计与具体的硬件电路无关。对设计者而言，在高抽象层次进行系统设计，可以将精力主要集中在系统级问题上，而不必关心低层次结构设计或制造工艺等的细节问题，这样可以节省开发时间和成本。比如设计者不用选择通用芯片就能写出电路的算法级描述，不用选择特定的制造工艺就能写出电路的寄存器传输级（Register Transferr，RTL）描述，逻辑综合工具能自动将算法级描述转换成RTL描述转换成任何一种制造工艺。（2） 用硬件描述语言(HDL)描述电路设计，在设计的前期就可以利用仿真工具完成电路功能级的验证和基于某种指定的可编程逻辑器件的时序验证。由于设计者工作在RTL级，他们可以不断修改和优化RTL描述，直到设计系统能够满足所需要的功能和指标，这样能够发现并改进设计中绝大部分的错误，在设计的后期门级网表及物理版图中出现功能性错误的 概率非常小，可以非常有效地缩短产品的开发周期。（3） 用硬件描述语言（HDL）设计电路，类似于计算机编程。以注释的硬件描述语言程序可以非常方便地进行数字电路和数字系统的开发和调试。（4） 用硬件描述语言（HDL）设计电路，使电路具有很好的易读性，便于理解。在大型的复杂电路系统设计中，采用门级原理图进行的设计几乎是不可理解的。 功能强大的逻辑综合工具把硬件描述语言(HDL)推到了数字电路设计的最前沿，设计者不需要使用手工放置通用数字芯片的办法“搭建”数字电路。由于使用HDL，设计者能够将精力投入到系统上，更好地从功能、行为和算法上表述自己的设计，并加上详细的注解，便于设计的移植和在开发。2.2 VHDL语言的发展与特点HDL是硬件描述语言(Hardware Description Language)的缩写。HDL巳有多种，但最流行和通用的只有Verilog HDL和VHDL两种。Verilog HDL起源于1983年的GDA (Gateway Design Automation)，而VHDL出现较晚，最初是由美国国防高级研究计划局(DARPA)创立的。 Verilog HDL是在应用最为广泛的C语言基础上发展起来的一种硬件描述语言，它是由GDA公司的Phil Moorby于1983年创建的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1985年Moorby推出了它的第三个商用仿真器Verilog-XL，获得了巨大成功，从而使venl。g DL得到迅速的推一和应用。1989年CADENCE公司收购了GDA公司，使Verilog HDL成为该公司的独家专利。1990年CADENCE公司公开发表了Verilog HDL，并成立OVI(0pen Verilog International)组织以促进Verilog HDL语言的发展。1995年Verilog HDL成为IEEE 标准，即IEEE Standard 13641995。 VHDL是Very High Speed Integrated Circuit HDL的缩写。VHDL是在ADA语言基础上发展起来的。尽管VHDL得到美国国防部的支持，并于1987年就成为IEEE 标准(IEEE Stansard l0761987)，但出于ADA语言的使用者远远少于C语言，它的普及程度也就远远落后于Verilog HDL。 Verilog HDL简单而优美。描述硬件单元的结构简单且易读。相比较而言，VHDL 的描述长度是Verilog HDL的两倍。 设计者只要学会vonlog一门语言,就可以应付逻辑设计中所有方面的事情。例如，在设计仿真中，所需要的功能模块,层级结构、测试向量以及人机交换等都可以用Verilog来实现。 Verilog HDL不仅简单、规范，而且容易学习和掌握。它非常类似于C语言编程。因为C语言是一种应用最广泛的编程语言，绝大部分设计者都熟悉C语言，所以学习Verilog也就容易多了。 在美国的许多著名高校如斯坦福大学、南加州大学等，都将Verilog HDL作为主要授课内容，这与我国高校多偏重VHDL语言教学的现实形成了明显反差。原因是 Verilog HDL原先是公司的私有财产，比VHDL标准化晚。而作为国际标准，必须要放弃专利。VHDL系统设计的基本点与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：功能强大、设计灵活。VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言虽不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。支持广泛、易于修改。由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。 强大的系统硬件描述能力。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。 独立于器件的设计、与工艺无关。设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。