总线控制逻辑的VHDL设计仿真与测试

2016-09-28 09:18:07来源: eccn

  计算机系统是由许多具有独立功能的模块互相连接而成的。随着计算机的不断发展和广泛应用,各生产厂商除了向用户提供整套系统外,还设计和提供各种功能的插件模块,让用户根据自己的需要构成自己的应用系统或扩充原有的系统。这些模块间需要互相通信,需要有高速、可靠的信息交换通道,这就是总线。总线使得计算机各模块之间的信号线可以直接互相连接,提高了信号传输的速度。

  VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是一种硬件描述语言,在电子设计领域得到广泛应用,最新版本为IEEE标准的1076-1993版,由IEEE在1993年公布。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。本文用VHDL的有限状态机来描述和仿真计算机总线控制器的逻辑行为。

  1  总线在总线控制器的控制下工作

  在计算机系统各模块之间的信息通信过程中,每一时刻只能有一组信息在总线上传输。如果有多组信息要传输,只能在总线控制器的控制下,按顺序分别传输,这样对每一组信息的传输就形成一个传输周期,这个周期包括申请分配阶段、寻址阶段、数据交换阶段和撤消阶段。申请分配阶段由主模块提出总线使用申请,经总线控制器批准后获得总线使用权;之后主模块把从模块地址放置到地址总线上,即寻址阶段;从模块接收到地址后做好相应的通信准备工作,并与主模块建立通信,进行数据交换;数据交换结束后,主模块通知总线控制器,并交还总线使用权,即撤消阶段。常用的总线通信方式有同步通信方式和异步通信方式两种。

  2  同步通信方式的有限状态机描述和仿真

  在同步通信方式里,模块之间的通信传输周期是固定的。有精确稳定的系统时钟作为传输周期的“标尺”,通信双方严格按照时钟标尺进行各种操作,以主模块(如CPU)从从模块(如内存)读取数据为例,总线控制器框图如图1所示。

  这种方式下总线的控制状态转移图如图2所示。

  用VHDL进行描述并在MAX+PLUSII上进行仿真,结果如图3所示:

  从图3可以看出,控制器一开始处于状态0(空闲状态),此时总线批准控制信号grant、片选信号csbar、地址有效信号effect和读控制信号rbar均处于无效的高电平;一旦有主模块发出总线请求,即request信号为低电平,控制器转移到状态1,总线批准控制信号有效,申请得到批准,这里假设主模块只有一个,即不存在多个主模块竞争使用总线的情况;进入状态2后,主模块发出地址,这里假设地址为“AD”,同时置片选信号csbar和地址有效信号effect为有效状态,从模块接收到地址有效信号和片选信号后,根据主模块发出的地址进行数据准备工作;进入状态3后,主模块发出读控制信号,即置rbar信号为有效状态;进入状态4后,假设从模块数据准备就绪,并发送到数据总线上,这里假设数据为“DA”,主模块读取数据;进入状态5后,主模块读数据完毕,发出撤消信号,即置withdraw信号为有效状态,之后返回状态0,所有控制信号都返回到无效状态;至此,一个数据传输周期结束。在传输过程中,各个模块的动作严格按照系统时钟同步进行。

  本设计下载到GW48—GK2/PK2 EDA实验开发系统,该系统目标芯片为EP1K100QC208-3,按照结构图No.0进行硬件测试,实验系统提供测试引脚的限制,只测试地址和数据均为4位(测试低4位)的情况,结果如图4所示。

  从图4中可以看出,在状态0,首先设置withdraw、request和rst为“1”,依次对应图中下方3个发光二极管,此时4个输出控制信号rbar、effect、csbar和grant为“1”,这4个信号按次序组成一个4位二进制数据,该数据经过译码器译码后由数码管显示输出结果,因4个信号均为“1”,故应该显示结果“F”,如图中上面的数码管显示“F”(右边第3个数码管)。第2步,按照图3所示时序设置rst和request信号并由按键3输入一个时钟脉冲,进入状态1,此时grant信号为“0”,4个输出控制信号组合为“1110”,可以看到图中数码管显示“E”,表明主模块申请总线被批准。第3步,设置地址信号addr1(低4位)为“1010”,即“A”,如图中数码管下方两个发光二极管所示,并输入一个时钟脉冲,进入状态2,该地址信号由addr2经译码器译码后由数码管显示出来,如图中上面最右边的数码管显示“A”,在该状态中地址有效信号effect和片选信号csbar均为“0”,此状态下主模块发出地址有效信号和片选信号,4个输出控制信号组合为“1000”,从图中可以看到数码管显示数字“8”。第4步,输入一个时钟脉冲进入状态3,该状态下主模块发出读控制信号,即置rbar信号为“0”,4个输出控制信号全部为“0”,如图中数码管显示“0”。第5步,设置数据信号get_data(低4位)为“1101”,即“D”,如图中数码管下方两个发光二极管所示,并输入一个时钟脉冲,进入状态4,该数据信号由data经译码器译码后由数码管显示出来,如图中上面右边第2个数码管显示“d”。第6步,输入一个时钟脉冲,进入状态5,主模块读取数据完毕,并发出撤消信号,1个数据传输周期结束;之后如果再输入一个时钟脉冲则回到状态0。

关键字:总线控制逻辑  VHDL  设计仿真

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016092817461.html
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