《VHDL入门》PPT课件.ppt

EDA技术与VHDL,第3章VHDL 入门,KX康芯科技,3.1 简单组合电路的VHDL描述,3.1.1 多路选择器的VHDL描述,图3-1 mux21a实体 图3-2 mux21a结构体,3.1 简单组合电路的VHDL描述,3.1.1 多路选择器的VHDL描述,【例3-1】ENTITY mux21a IS PORT(a,b:IN BIT;s:IN BIT;y:OUT BIT);END ENTITY mux21a;ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y=a WHEN s=0 ELSE b;END ARCHITECTURE one;,3.1 简单组合电路的VHDL描述,3.1.1 多路选择器的VHDL描述,【例3-2】ENTITY mux21a IS PORT(a,b:IN BIT;s:IN BIT;y:OUT BIT);END ENTITY mux21a;ARCHITECTURE one OF mux21a IS SIGNAL d,e:BIT;BEGINd=a AND(NOT S);e=b AND s;y=d OR e;END ARCHITECTURE one;,3.1 简单组合电路的VHDL描述,3.1.1 多路选择器的VHDL描述,【例3-3】ENTITY mux21a IS PORT(a,b,s:IN BIT;y:OUT BIT);END ENTITY mux21a;ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN PROCESS(a,b,s)BEGIN IF s=0 THEN y=a;ELSE y=b;END IF;END PROCESS;END ARCHITECTURE one;,3.1 简单组合电路的VHDL描述,3.1.1 多路选择器的VHDL描述,图3-3 mux21a功能时序波形,3.1 简单组合电路的VHDL描述,1.实体表达,【例3-4】ENTITY e_name IS PORT(p_name:port_m data_type;.p_namei:port_mi data_type);END ENTITY e_name;,3.1 简单组合电路的VHDL描述,2.实体名,3.端口语句和端口信号名,4.端口模式,“IN”、“OUT”、“INOUT”、“BUFFER”,5.数据类型,3.1 简单组合电路的VHDL描述,6.结构体表达,【例3-5】ARCHITECTURE arch_name OF e_name IS 说明语句BEGIN(功能描述语句)END ARCHITECTURE arch_name；,3.1 简单组合电路的VHDL描述,7.赋值符号和数据比较符号,IF a THEN.-注意，a的数据类型必须是boolean IF(s1=0)AND(s2=1)OR(cb+1)THEN.,8.逻辑操作符,BIT、BOOLEAN、STD_LOGIC,3.1 简单组合电路的VHDL描述,9.条件语句,10.WHEN_ELSE条件信号赋值语句,赋值目标=表达式 WHEN 赋值条件 ELSE表达式 WHEN 赋值条件 ELSE.表达式；,z=a WHEN p1=1 ELSE b WHEN p2=1 ELSE c;,3.1 简单组合电路的VHDL描述,11.进程语句和顺序语句,12.文件取名和存盘,IF_THEN_ELSE_END IF;,“.vhd”,adder_f.vhd,【例3-6】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DFF1 IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC;D:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC);END;ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1:STD_LOGIC;-类似于在芯片内部定义一个数据的暂存节点 BEGIN PROCESS(CLK,Q1)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q1=D;END IF;END PROCESS;Q=Q1;-将内部的暂存数据向端口输出（双横线-是注释符号）END bhv;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.1 D触发器,图3-4 D触发器,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,1.标准逻辑位数据类型STD_LOGIC,BIT数据类型定义：TYPE BIT IS(0,1);-只有两种取值STD_LOGIC数据类型定义：TYPE STD_LOGIC IS(U,X,0,1,Z,W,L,H,-);,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,2.设计库和标准程序包,LIBRARY WORK;LIBRARY STD;USE STD.STANDARD.ALL;,LIBRARY;USE.ALL;,LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,3.信号定义和数据对象,EVENT,4.上升沿检测表式和信号属性函数EVENT,5.不完整条件语句与时序电路,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,【例3-7】ENTITY COMP_BAD IS PORT(a1，b1:IN BIT;q1:OUT BIT);END;ARCHITECTURE one OF COMP_BAD IS BEGIN PROCESS(a1,b1)BEGIN IF a1 b1 THEN q1=1;ELSIF a1 b1 THEN q1=0;-未提及当a1=b1时，q1作何操作END IF;END PROCESS;END;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,图3-5 例3-7的电路图（Synplify综合）,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.2 D触发器VHDL描述的语言现象说明,图3-6 例3-8的电路图（Synplify综合）,【例3-8】.IF a1 b1 THEN q1=1;ELSE q1=0;END IF;.,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.3 实现时序电路的不同表述,【例3-9】.PROCESS(CLK)BEGINIF CLKEVENT AND(CLK=1)AND(CLKLAST_VALUE=0)THEN Q=D;-确保CLK的变化是一次上升沿的跳变 END IF;END PROCESS;【例3-10】.PROCESS(CLK)BEGINIF CLK=1 AND CLKLAST_VALUE=0-同例3-9 THEN Q=D;END IF;END PROCESS;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.3 实现时序电路的不同表述,【例3-11】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DFF3 IS PORT(CLK，D:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC);END;ARCHITECTURE bhv OF DFF3 IS SIGNAL Q1:STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(CLK)BEGIN IF rising_edge(CLK)-必须打开STD_LOGIC_1164程序包 THEN Q1=D;END IF;END PROCESS;Q=Q1;-在此，赋值语句可以放在进程外，作为并行赋值语句 END;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.3 实现时序电路的不同表述,【例3-12】.PROCESS BEGIN wait until CLK=1;-利用wait语句 Q=D;END PROCESS;,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.3 实现时序电路的不同表述,【例3-13】.PROCESS(CLK)BEGIN IF CLK=1 THEN Q=D;-利用进程的启动特性产生对CLK的边沿检测 END IF;END PROCESS,图3-7 例3-13的时序波形,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.3 实现时序电路的不同表述,【例3-14】.PROCESS(CLK，D)BEGIN IF CLK=1-电平触发型寄存器 THEN Q=D;END IF;END PROCESS;,图3-8 例3-14的时序波形,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.4 异步时序电路设计,【例3-15】.ARCHITECTURE bhv OF MULTI_DFF IS SIGNAL Q1,Q2:STD_LOGIC;BEGINPRO1:PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q1=NOT(Q2 OR A);END IF;END PROCESS;PRO2:PROCESS(Q1)BEGIN IF Q1EVENT AND Q1=1 THEN Q2=D;END IF;END PROCESS;QQ=Q2;.,3.2 简单时序电路的VHDL描述,3.2.4 异步时序电路设计,图3-9 例3-15综合后的电路（Synplify综合）,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,图3-10 半加器h_adder电路图及其真值表,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,图3-11 全加器f_adder电路图及其实体模块,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,【例3-16】LIBRARY IEEE;-半加器描述(1)：布尔方程描述方法USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY h_adder IS PORT(a,b:IN STD_LOGIC;co,so:OUT STD_LOGIC);END ENTITY h_adder;ARCHITECTURE fh1 OF h_adder is BEGIN so=NOT(a XOR(NOT b);co=a AND b;END ARCHITECTURE fh1;,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,【例3-17】LIBRARY IEEE;-半加器描述(2)：真值表描述方法USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY h_adder IS PORT(a,b:IN STD_LOGIC;co,so:OUT STD_LOGIC);END ENTITY h_adder;ARCHITECTURE fh1 OF h_adder is SIGNAL abc:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);-定义标准逻辑位矢量数据类型BEGIN abc so so so so NULL;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE fh1;,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,【例3-18】LIBRARY IEEE;-或门逻辑描述 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY or2a IS PORT(a,b:IN STD_LOGIC;c:OUT STD_LOGIC);END ENTITY or2a；ARCHITECTURE one OF or2a IS BEGIN c=a OR b;END ARCHITECTURE one;,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.1 半加器描述和CASE语句,【例3-19】LIBRARY IEEE;-1位二进制全加器顶层设计描述 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY f_adder IS PORT(ain，bin，cin:IN STD_LOGIC;cout，sum:OUT STD_LOGIC);END ENTITY f_adder;ARCHITECTURE fd1 OF f_adder IS COMPONENT h_adder-调用半加器声明语句 PORT(a，b:IN STD_LOGIC;co，so:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT；COMPONENT or2a PORT(a，b:IN STD_LOGIC;c:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT；SIGNAL d，e，f:STD_LOGIC;-定义3个信号作为内部的连接线。BEGIN u1:h_adder PORT MAP(a=ain，b=bin，co=d，so=e);-例化语句 u2:h_adder PORT MAP(a=e，b=cin，co=f，so=sum);u3:or2a PORT MAP(a=d，b=f，c=cout);END ARCHITECTURE fd1;,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.2 半加器描述,1.CASE语句,CASE ISWhen=;.;；When=;.;；.WHEN OTHERS=;END CASE；,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.2 半加器描述,2.标准逻辑矢量数据类型,B=01100010;-B(7)为 0 B(4 DOWNTO 1)=1101;-B(4)为 1 B(7 DOWNTO 4)=A;-B(6)等于 A(2),SIGNAL C：BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0)；,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.2 半加器描述,3.并置操作符,SIGNAL a:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL d:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);.a=10d(1)1;-元素与元素并置，并置后的数组长度为4.IF a d=101011 THEN.-在IF条件句中可以使用并置符,3.3 含有层次结构的VHDL描述,3.3.3 全加器描述和例化语句,COMPONENT 元件名 IS PORT(端口名表)；END COMPONENT 文件名；,COMPONENT h_adder PORT(c，d:IN STD_LOGIC;e，f:OUT STD_LOGIC);,例化名:元件名 PORT MAP(端口名=连接端口名,.);,3.4 计数器设计,【例3-20】ENTITY CNT4 IS PORT(CLK:IN BIT;Q:BUFFER INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS BEGIN PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q=Q+1;END IF;END PROCESS;END bhv;,3.4 计数器设计,3.4.1 4位加法计数器,表面上BUFFER具有双向端口INOUT的功能，但实际上其输入功能是不完整的，它只能将自己输出的信号再反馈回来，并不含有IN的功能。,表式Q=Q+1的右项与左项并非处于相同的时刻内，对于时序电路，除了传输延时外，前者的结果出现于当前时钟周期；后者，即左项要获得当前的Q+1，需等待下一个时钟周期。,3.4 计数器设计,3.4.2 整数类型,1 十进制整数0 十进制整数35 十进制整数10E3 十进制整数，等于十进制整数100016#D9#十六进制整数，等于十六进制整数D9H8#720#八进制整数，等于八进制整数720O2#11010010#二进制整数，等于二进制整数11010010B,Q:BUFFER NATURAL RANGE 15 DOWNTO 0；,3.4 计数器设计,3.4.3 计数器设计的另一种表述,【例3-21】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT4 IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE bhv OF CNT4 ISSIGNAL Q1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q1=Q1+1;END IF;END PROCESS;Q=Q1;END bhv;,3.4 计数器设计,3.4.3 计数器设计的另一种表述,图3-12 4位加法计数器RTL电路（Synplify综合）,3.4 计数器设计,3.4.3 计数器设计的另一种表述,图3-13 4位加法计数器工作时序,3.5 一般加法计数器设计,【例3-22】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT10 IS PORT(CLK,RST,EN:IN STD_LOGIC;CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);COUT:OUT STD_LOGIC);END CNT10;ARCHITECTURE behav OF CNT10 ISBEGIN PROCESS(CLK,RST,EN)VARIABLE CQI:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN IF RST=1 THEN CQI:=(OTHERS=0);-计数器异步复位 ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN-检测时钟上升沿 IF EN=1 THEN-检测是否允许计数（同步使能）IF CQI 0);-大于9，计数值清零 END IF;END IF;END IF;IF CQI=9 THEN COUT=1;-计数大于9，输出进位信号 ELSE COUT=0;END IF;CQ=CQI;-将计数值向端口输出 END PROCESS;END behav;,3.5 一般加法计数器设计,3.5.1 相关语法说明,1.变量,VARIABLE CQI:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0),2.省略赋值操作符(OTHERS=X),SIGNAL d1:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);VARIABLE a1:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);.d1 0)；a1:=(OTHERS=0)；,d1 e(3),3=e(5),OTHERS=e(1);,f=e(1),3.5 一般加法计数器设计,3.5.2 程序分析,图3-14 例3-22的RTL电路（Synplify综合）,3.5 一般加法计数器设计,3.5.2 程序分析,图3-15 例3-22的工作时序,3.5 一般加法计数器设计,3.5.3 含并行置位的移位寄存器设计,【例3-23】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY SHFRT IS-8位右移寄存器 PORT(CLK，LOAD:IN STD_LOGIC;DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);QB:OUT STD_LOGIC);END SHFRT;ARCHITECTURE behav OF SHFRT IS BEGIN PROCESS(CLK,LOAD)VARIABLE REG8:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF LOAD=1 THEN REG8:=DIN;-由（LOAD=1）装载新数据 ELSE REG8(6 DOWNTO 0):=REG8(7 DOWNTO 1);END IF;END IF;QB=REG8(0);-输出最低位 END PROCESS;END behav;,3.5 一般加法计数器设计,3.5.3 含并行置位的移位寄存器设计,图3-16 例3-23的工作时序,3.6 VHDL语句结构与语法小节,实体：以ENTITY.END ENTITY e_name描述器件的端口特性。结构体：以ARCHITECTURE.END ARCHITECTURE 给出器件 的逻辑功能和行为。端口定义：以PORT()语句定义器件端口及其数据类型。端口模式：IN、OUT、INOUT、BUFFER描述端口数据的流向特征。数据类型：数据对象承载数据的类别：INTEGER、BOOLEAN、STD_LOGIC、BIT、STD_LOGIC_VECTOR。信号赋值符：“=”，用于信号数据的传输，仿真传输延时最短为一个。条件比较符：“=”，在条件语句表式中用于比较待测数据的关系。延时：模拟器最小分辨时间，或称延时。逻辑操作符：AND、OR、NOT、NAND、XOR、XNOR。IF条件语句：IF_THEN_ELSE语句作为顺序语句。并行条件语句：WHEN_ELSE条件信号赋值语句。进程语句：以PROCESS.END PROCESS引导的语句结构。顺序语句：由进程语句引导的，以顺序方式执行的语句。并行语句：在结构体中以并行方式执行的语句。文件取名：建议文件名与VHDL设计的实体名一致，后缀是.vhd。,3.6 VHDL语句结构与语法小节,文件存盘：VHDL设计文件必须存于指定为工程的目录中，此目录将被设定为WORK库，WORK库的路径即为此目录的路径。VHDL库：LIBRARY语句打开VHDL库：IEEE库、标准库STD、工作库WORK.程序包：USE语句声明使用程序包：STD_LOGIC_1164、STD_LOGIC_UNSIGNED、STANDARD等程序。数据对象：信号：SIGNAL，变量：VERIABLE，常数：CONSTANT信号属性函数：信号属性函数EVENT、LAST_VALUE。时钟检测：时钟检测上升沿检测表式：CLKEVENT AND CLK=1、RISING_EDGE()、FALLING_EDGE()等。时序电路：不完整条件语句产生时序电路：IF THEN END IF，IF THEN ELSIF THEN END IF真值表表达：表达方法之一是用CASE_WHEN语句，但要注意OTHERS的应用。并置操作符：并置操作符可用于合并两个或多个逻辑矢量，构建成新的数组。元件例化：由元件调用声明语句COMPONENT和映射语句PORT MAP()构成。运算符重载概念：当进行非整数类型数据运算操作时需要调用运算符重载函数，这可以打开程序包STD_LOGIC_UNSIGNED。,习 题,3-1.画出与下例实体描述对应的原理图符号元件：ENTITY buf3s IS-实体1：三态缓冲器 PORT(input:IN STD_LOGIC;-输入端 enable:IN STD_LOGIC;-使能端 output:OUT STD_LOGIC);-输出端END buf3x;ENTITY mux21 IS-实体2：2选1多路选择器 PORT(in0,in1,sel:IN STD_LOGIC;output:OUT STD_LOGIC);,习 题,3-2.图3-17所示的是4选1多路选择器，试分别用IF_THEN语句和CASE语句的表达方式写出此电路的VHDL程序。选择控制的信号s1和s0的数据类型为STD_LOGIC_VECTOR；当s1=0，s0=0；s1=0，s0=1；s1=1，s0=0和s1=1，s0=1分别执行y=a、y=b、y=c、y=d。,图3-17 4选1多路选择器,习 题,3-3.图3-18所示的是双2选1多路选择器构成的电路MUXK，对于其中MUX21A，当s=0和1时，分别有y=a和y=b。试在一个结构体中用两个进程来表达此电路，每个进程中用CASE语句描述一个2选1多路选择器MUX21A。,图3-18 双2选1多路选择器,习 题,3-4.图3-19是一个含有上升沿触发的D触发器的时序电路，试写出此电路的VHDL设计文件。,图3-19 时序电路图,习 题,3-5.给出1位全减器的VHDL描述。要求：(1)首先设计1位半减器，然后用例化语句将它们连接起来，图3-20中h_suber是半减器，diff是输出差，s_out是借位输出，sub_in是借位输入。(2)以1位全减器为基本硬件，构成串行借位的8位减法器，要求用例化语句来完成此项设计(减法运算是 x y-sun_in=diffr)。,图3-20 1位全减器,习 题,3-6.根据图3-21，写出顶层文件MX3256.VHD的VHDL设计文件。,图3-21 题3-6电路图,3-7.设计含有异步清零和计数使能的16位二进制加减可控计数器。,习 题,3-6.根据图3-21，写出顶层文件MX3256.VHD的VHDL设计文件。,