VHDL密碼控制系統的設計和仿真

1 引言

　　隨著(zhù)電子技術(shù)和ASIC技術(shù)的發(fā)展．數字系統設計向速度快、容量大、體積小、重量輕的趨勢發(fā)展。目前數字系統設計可直接面向用戶(hù)需求，根據系統的行為和功能要求，自上而下地逐層完成設計過(guò)程：描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗證，以及器件生成。該設計過(guò)程除系統行為和功能描述外，其他設計幾乎都由計算機自動(dòng)完成，從而實(shí)現電子設計自動(dòng)化(EDA)。這樣大大地縮短了系統的設計周期，適應當今品種多、批量小的電子市場(chǎng)要求，提高了產(chǎn)品的競爭能力。由于電子設計自動(dòng)化是采用硬件描述語(yǔ)言描述硬件電路，所以研究硬件語(yǔ)言及仿真、綜合等技術(shù)是電子設計自動(dòng)化的首要任務(wù)。本文提出一種利用MAX+plusⅡ開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境和硬件描述語(yǔ)言VHDL的密碼控制系統設計方案，并對系統的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真分析。

2 VHDL語(yǔ)言特點(diǎn)和基本結構

　　VHDL語(yǔ)言即超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言，它是一種用形式化方法描述數字電路和設計數字邏輯系統的語(yǔ)言，特別適合描述復雜的組合邏輯、組運算、狀態(tài)機和真值表。與傳統的門(mén)級設計方法相比，VHDL語(yǔ)言具有以下特點(diǎn)：

　　設計層次高，用于較復雜的運算時(shí)能盡快發(fā)現問(wèn)題，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，從而成本降低；與工藝無(wú)關(guān)，獨立實(shí)現，修改方便，系統描述能力強；可讀性好，有利于交流，適合文檔保存；VHDL標準、規范并且可移植性強：VHDL類(lèi)型多且支持用戶(hù)自定義類(lèi)型，也支持自頂向下的設計方法和多種電路設計。

　　VHDL語(yǔ)言程序設計的基本語(yǔ)法結構如下：

3 系統設計分析

　　密碼控制系統包括鍵盤(pán)、控制器和顯示器等三部分，如圖1所示。

　　4位密碼控制系統設計能實(shí)現如下功能：密碼驗證功能：即用戶(hù)使用鍵盤(pán)輸入4位密碼后，按#鍵確認。如果輸入密碼正確則輸出000l；如果密碼錯誤則輸出00000密碼更改功能：當用戶(hù)輸入密碼正確后，可在此基礎上更改密碼，即繼續輸入4位密碼，按+鍵確認，該輸入為新密碼。如果密碼更改成功，則輸出1000；作為整體，控制模塊有2個(gè)輸入，即時(shí)鐘信號和鍵盤(pán)按鍵信號；兩個(gè)輸出，即鍵盤(pán)掃描信號和結果顯示信號，具體如圖l所示。該控制模塊總共包括分頻子模塊、鍵盤(pán)掃描子模塊、鍵盤(pán)譯碼子模塊、控制子模塊以及輸出顯示子模塊，下面分別對各個(gè)模塊進(jìn)行編程仿真。

3．1 分頻子模塊

　　分頻子模塊將時(shí)鐘分頻為系統所需頻率的時(shí)鐘信號。通過(guò)觸發(fā)器的級聯(lián)實(shí)現分頻電路模塊，且級聯(lián)的觸發(fā)器級數不同，分頻也不同。級數越多頻率越低，并按照一定的規律而降低，即頻率隨級數的增加以分比為l／2的速率降低。本系統設計采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現分頻，其仿真如圖2所示。由圖2可以看出，CLK—A、CLK—B、VLK—B0和CLK—Bl的頻率成倍遞減。

3．2 鍵盤(pán)掃描子模塊

　　該模塊通過(guò)分頻子模塊提供的分頻信號，逐周期掃描鍵盤(pán)的每一行，其信號分別是lll0、110l、lOll和0111，如此循環(huán)．即逐周期選中鍵盤(pán)的第一列、第二列、第三列和第四列，實(shí)現仿真如圖3所示。由圖3看出，CLK_SCAN 4位信號中0的位置代表鍵盤(pán)的列位置。

3．3 譯碼子模塊

　　利用鍵盤(pán)掃描子模塊，讀取鍵盤(pán)的輸入信號，判斷哪一個(gè)按鍵被按下，仿真如圖4所示。由圖4看出，_KEYBOARD是掃描周期，C是鍵盤(pán)按鍵后的輸出信號值；FLAG_NUMB表示按下的是數字鍵(值為1)，OUT_NUMB表示按下的鍵號，其中15表示功能鍵(#鍵和*鍵)；其余數字即為其相應號碼鍵。FLAG FUNC表示按下的是功能鍵(值為1)；OUT FUNC表示其按鍵值，0100表示*鍵，000l表示#鍵，1000表示數字鍵。

3．4 控制子模塊

　　由于控制子模塊無(wú)法單獨仿真，只能和其他模塊一起才能工作，所以無(wú)單獨仿真圖。其功能是獲取鍵盤(pán)輸入，按規則進(jìn)行判斷并完成相應操作(正確、錯誤、設置密碼、輸出結果等)。

3．5 總體仿真

　　圖5所示為系統總體仿真圖，以下說(shuō)明圖5中的信號含義：CLK_SCAN為鍵盤(pán)掃描信號，指出當前掃描鍵盤(pán)的第幾行；KEY_IN為鍵盤(pán)按鍵輸入信號，指出當前掃描行的哪一按鍵被按下：SHOW為判斷結果，0表示密碼不匹配、1表示密碼正確、8表示修改密碼成功。ACC為內部移位寄存器。臨時(shí)存儲4個(gè)4位二進(jìn)制數，用于暫存用戶(hù)輸入的密碼；REG為內部移位寄存器，臨時(shí)存儲4個(gè)4位二進(jìn)制數，用于保存密碼；NC為內部信號，用于表示當前已輸入數據數．或者表示用戶(hù)按數字鍵的次數。

　　根據圖5所示的總體仿真圖，可導出密碼控制系統電路，如圖6所示。

4 結語(yǔ)

　　本系統設計是通過(guò)自動(dòng)調用MAX-7000S系列的EPM7128SLC84-6型EPGA器件來(lái)實(shí)現。并且通過(guò)系統總體仿真圖能看出設計的密碼控制系統完全符合要求。