如何用VHDL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：
　　
　　转换输出单元
　　转换输出单元是系统的核心，它包括三个部分：数据格式的转换、数据使能信号DEN的输出、数据时钟信号DCLK的输出。数据的转换输出是由系统当前所处的状态决定的。permit信号有效后，在时钟的上升沿，转换输出单元检测系统状态：状态为first时，输出高8位；状态为second时，输出低8位；状态为third时，系统复位，从而完成一次转换，开始下一转换周期。在转换过程中，系统同时完成对信号simbol、sign（低电平有效）的控制。
　　输出数据使能信号DEN是根据MPEG－2标准码流格式产生的，用于数据信号的同步。在MPEG－2标准中，码流是以包的形式传送的。每一个数据包都有一个统一的包标识符PID，它的十六进制形式为47H。从包中的第一个字节（47H）开始，DEN变为有效（高电平），并保持到第188字节。在接下来的16个字节时间里，DEN保持低电平。
　　输出数据时钟信号DCLK用作解复用单元的采样时钟，它是由控制信号sign、permit以及系统当前所处的状态控制产生的。为了保证采样时数据保持有效，DCLK的输出比相应的输出数据要延迟半个机器周期。
　　复位控制单元
　　转换结束后，需要对系统复位，保证下一转换的顺利进行。复位信号的产生取决于三个控制量：系统当前状态为third、控制信号varb为低电平、控制信号simbol为高电平。复位后，输出端为高阻状态，其他信号均为无效值。系统回到初始状态。
　　4.2 系统的门级描述
　　整个系统的VHDL描述流程如图4所示。
　　
　　总之，机顶盒信源发生方案是机顶盒调试过程中的一个重要课题。本文提出的解决方案具有简单、实用、易实现的特点，经实践证明是可行的。同时在硬件实现时采用了VHDL的设计方法，也给整个方案提供了很大的灵活性。如果采用传统的方法来实现该方案，则首先要选择通用的逻辑器件，然后进行电路设计，完成各独立功能模块，再将各功能模块连接起来，完成整个电路的硬件设计，最后才能进行仿真和调试，直至整个系统的完成。这样一个过程往往需要比较长的时间，而且费时费力，特别是对一项大的工程。而采用VHDL这类高层设计技术，设计人员只需专心于设计方案和构思上，描述、编译成功后，经过系统综合，便可直接进行软件仿真和调试。整个系统的完成周期大大缩短，而且VHDL与工艺无关，它不限定模拟工具和设计方法，从而给设计师一个自由选择的余地。
　　随着电子工艺的日趋提高与完善，ISP（系统内可编程）功能为 PLD提供了更高的灵活性，使PLD能够向高密度、大规模的方向发展以满足复杂系统的要求，从而使可编程ASIC的设计逐步向高层设计转移。作为一种重要的高层设计技术，VHDL亦成为当代电子设计师们设计数字硬件时必须掌握的一种方法。