一种用VHDL设计实现的有线电视机顶盒信源发生方案

VHDL是随着可编辑逻辑器件（PLD）的发展而发展起来的一种硬件描述语言。它是1980年美国国防部VHSIC（超高速集成电路）计划的一部分，并于1986年和1987年分别成为美国国防部和IEEE的工业标准。作为一种硬件设计时采用的标准语言，VHDL具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和门级三个不同层次的设计，这样设计师将在TOP－DOWN设计的全过程中均可方便地使用同一种语言。而且，VHDL设计是一种"概念驱动式"的高层设计技术，设计人员毋需通过门级原理图描述电路，而是针对目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以专心于设计方案和构思上，因此设计工作省时省力，加快了设计周期，并且工艺转换变得轻松。VHDL设计技术对可编程专用集成电路（ASIC）的发展起着极为重要的作用。
　　
自从微软提出"维纳斯"计划后，机顶盒便成为信息产业追逐的主要目标，也是信息家电中的主流产品。各国都在加紧对机顶盒的开发，我国也提出了相应的"女娲"计划，全国许多科研单位与生产厂家都在进行这方面的研究。由于我国有线电视资源丰富，市场前景很大，因而对有线电视机顶盒的研究也就格外引人注目。然而，由于我国还未完全开展数字电视业务，因而在机顶盒的调试过程中，要找到合适的信号源是很不容易的，不得不采用通过计算机输出标准视频码流的方式来实现。可大多数计算机EISA总线并行输出的数据速率都难以满足实际工作的需要。虽然EISA总线可以一次输出16位并行数据，但这对于一次只能处理8位并行数据的器件来说，仍需要一个转换过程。本文介绍了一种数据格式转换的设计方案。该方案采用VHDL对一块CPLD芯片进行编程，使其实现从16位并行数据到8位并行数据的转换，并将EISA口的数据输出速率提高一倍，达到信源要求。
　　
1 VHDL的特点
　　
VHDL是一种面向设计的、多层次、多领域且得一致认同的、标准的硬件描述语言。它主要有如下特点：

能形式化地抽象表示电路的结构和行为，降低了硬件电路设计的难度。
采用自上到下（Top－Down）的设计方法，支持逻辑设计中层次与领域的描述；它支持三个层次的描述：行为描述、RTL方式描述、门级描述（逻辑综合）。
可进行系统的早期仿真以保证设计的正确性。
主要设计文件是VHDL语言编写的源程序，便于文档管理。
硬件描述与实现工艺无关。
　　
由于VHDL语言已作为一种ＩＥＥＥ的工业标准，因而其语言标准、规范、语法比较严格，易于共享和复用。而且，VHDL设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。目前大多数ＥＤＡ工具几乎在不同程度上都支持VHDL语言。
　　
2 CPLD外部引脚说明
　　
该方案中所用的芯片是Xilinx公司的CPLD 9500系列芯片，其类型为XC95108－7 PC84。这种芯片共有84个外部引脚，其中5个引脚接地，6个引脚接电源，4个引脚用于JTAG，剩下的引脚为I／O引脚。根据EISA总线的信号特征和信源的要求，该芯片所使用的外部引脚为如图1所示。

图1中输入信号：
　　ＤＡＴＡ＿ＩＮ 15～0 输入的数据信号
　　ＡＤＤＲＥＳＳ 15～0 输入的地址信号
　　ＲＥＳＥＴ 复位信号
　　ＡＥＮ 地址允许信号
　　ＣＬＫ 输入时钟信号
　　ＩＯＷ Ｉ／Ｏ写信号
　　输出信号：
　　ＩＯ＿ＣＳ 16位Ｉ／Ｏ片选信号
　　ＤＡＴＡ＿ＯＵＴ 7～0 输出的数据信号
　　ＤＥＮ 输出数据使能信号
　　ＤＣＬＫ 输出数据时钟信号
　　
3 系统整体设计
　　
系统启动后，主机向I／O口发出地址信号。AEN为低电平时，系统进行地址译码。译码成功后，产生一使能信号ENABLE打开数据暂存单元。数据到来后，数据暂存单元将总线上的16位并行数据锁存在暂存器中，同时产生一允许信号PERMIT，允许进行数据格式转换。接下来系统根据当前所处的状态进行选择输出，完成格式的转换，并产生相应的输出数据使能信号DEN和输出数据时钟信号DCLK。整个过程结束后，将各信号复位，开始新的转换周期。因此，整个系统应包括五个逻辑部分：地址译码、数据暂存、状态控制、复位控制、转换输出。
　　
3.1 系统的整体框图
　　
系统的整体框图如图2所示。

3.2 系统的工作时序
　　
转换过程的时序如图3所示。

4 VHDL语言描述
　　
4.1 各单元模块的描述

地址译码单元
　　
计算机与I／O设备间的正确通信是通过对I／O空间的寻址操作来完成的。每个I／O端口都分配了一个地址。在该方案中，将端口的地址设定为0280H，采用完全译码的方式。同时为了避免DMA操作控制总线，设计时让aen亦参与译码，并由时钟信号进行触发控制。译码成功后，产生一使能信号enable(高电平有效），同时将io_cs信号拉低。
数据暂存单元
　　
enable信号无效时，数据暂存单元为高阻状态。该信号和写信号iow（低电平有效）都变为有效后，在接下来的一个时钟的下降沿（确保采样时数据有效），将总线上的数据读入数据暂存单元，并产生一允许信号permit，允许系统进行格式转换。
状态控制单元
　　
这是系统的控制部分。系统状态的控制是由系统的控制信号simbol、sign在时钟信号的驱动下实现的。系统每完成一次8位数据的输出，在同一时钟的下降沿，状态发生改变，产生另外一控制信号varb(低电平有效）。复位后，系统又回到初始状态。状态变化过程如下：