EDA技術(shù)項(xiàng)目教程-基于VHDL與FPGA 課件 于潤(rùn)偉 項(xiàng)目3、4 數(shù)據(jù)編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

EDA項(xiàng)目教程

——基于VHDL與FPGA本章要點(diǎn)

VHDL的程序結(jié)構(gòu)VHDL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)VHDL的并行語(yǔ)句項(xiàng)目3數(shù)據(jù)編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)VHDL是一種用普通文本形式設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述語(yǔ)言，主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，可以在任何文字處理軟件環(huán)境中編輯。編寫(xiě)VHDL程序時(shí)允許使用一些符號(hào)（字符串）作為標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)符的命名規(guī)則如下：（1）由26個(gè)英文字母、數(shù)字0~9及下劃線“_”組成。（2）第一個(gè)字符必須以字母開(kāi)頭。（3）下劃線不能連用，最后一個(gè)字符不能是下劃線。（4）對(duì)大小寫(xiě)字母不敏感（英文字母不區(qū)分大小寫(xiě)）。在VHDL中把具有特定意義的標(biāo)識(shí)符號(hào)稱為關(guān)鍵字，只能作固定用途使用，用戶不能將關(guān)鍵字作為一般標(biāo)識(shí)符來(lái)使用，如ENTITY，PORT，BEGIN，END等。3.1VHDL的程序結(jié)構(gòu)3.1.1VHDL的基本結(jié)構(gòu)--庫(kù)和程序包部分LIBRARYIEEE；--IEEE庫(kù)

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；--調(diào)用IEEE庫(kù)中STD_LOGIC_1164程序包--實(shí)體部分ENTITYnotgateIS--實(shí)體名為notgatePORT（--端口說(shuō)明

a：INSTD_LOGIC；--定義端口類型

和數(shù)據(jù)類型

y：OUTSTD_LOGIC）；ENDnotgate；--實(shí)體結(jié)束--結(jié)構(gòu)體部分ARCHITECTUREinvOFnotgateIS--結(jié)構(gòu)體名為invBEGINy<=NOTa；--將a取反后賦值給輸出端口yENDinv；--結(jié)構(gòu)體結(jié)束3.1.2庫(kù)和程序包1．庫(kù)LIBRARY庫(kù)名；常用的庫(kù)有IEEE庫(kù)、STD庫(kù)和WORK庫(kù)。2．程序包調(diào)用程序包的通用模式為：USE庫(kù)名.程序包名.ALL；例如調(diào)用STD_LOGIC_1164程序包中的項(xiàng)目需要使用以下語(yǔ)句：LIBRARYIEEE；

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；3.1.3VHDL的實(shí)體實(shí)體的格式如下：ENTITY實(shí)體名IS[GENERIC（類屬說(shuō)明）][PORT（端口說(shuō)明）]END[ENTITY]實(shí)體名；1．類屬說(shuō)明GENERIC（常數(shù)名1：數(shù)據(jù)類型1：=設(shè)定值1；

……；常數(shù)名n：數(shù)據(jù)類型n：=設(shè)定值n）；2．端口說(shuō)明PORT（端口信號(hào)名1：端口模式1數(shù)據(jù)類型1；

……；端口信號(hào)名n：端口模式n數(shù)據(jù)類型n）；3.1.4VHDL的結(jié)構(gòu)體

一個(gè)實(shí)體中可以有一個(gè)結(jié)構(gòu)體，也可以有多個(gè)結(jié)構(gòu)體，但各個(gè)結(jié)構(gòu)體不應(yīng)有重名，其格式如下：ARCHITECTURE結(jié)構(gòu)體名OF實(shí)體名IS[結(jié)構(gòu)體說(shuō)明部分；]BEGIN

功能描述語(yǔ)句；END[ARCHITECTURE]結(jié)構(gòu)體名；3.1.5VHDL的特點(diǎn)1．語(yǔ)法規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)周期短VHDL具有嚴(yán)格的語(yǔ)法規(guī)范和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可讀性強(qiáng)。用VHDL書(shū)寫(xiě)的源文件既是程序，又是文檔，可以直接用于設(shè)計(jì)成果的交流。VHDL采用基于模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)方法，這樣在設(shè)計(jì)一個(gè)大規(guī)模集成電路或數(shù)字系統(tǒng)的過(guò)程中，技術(shù)人員就不需要從門(mén)級(jí)電路開(kāi)始一步步地進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以用原來(lái)設(shè)計(jì)好的模塊直接進(jìn)行累加，這些模塊可以預(yù)先設(shè)計(jì)或者使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊，這些模塊存放在資源庫(kù)中，就可以在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行復(fù)用。不難看出，復(fù)用減小了硬件電路設(shè)計(jì)的工作量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。3.1.5VHDL的特點(diǎn)2．與工藝無(wú)關(guān)

當(dāng)設(shè)計(jì)人員用VHDL進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，并沒(méi)有涉及到與工藝有關(guān)的信息。當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)描述進(jìn)行完編譯、模擬和綜合后，就可以采用不同的工具軟件將設(shè)計(jì)映射到不同的器件上去。映射不同的器件，只需要改變相應(yīng)的工具軟件，而無(wú)需修改設(shè)計(jì)描述。3.1.5VHDL的特點(diǎn)3．易于ASIC（專用集成電路）移植

當(dāng)產(chǎn)品的數(shù)量達(dá)到相當(dāng)?shù)囊?guī)模時(shí)，采用VHDL開(kāi)發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)能夠很容易地轉(zhuǎn)成ASIC的設(shè)計(jì)。有時(shí)用于PLD的程序可以直接用于ASIC，并且由于VHDL是一種IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，所以使用VHDL設(shè)計(jì)可以確保ASIC廠商生產(chǎn)出高質(zhì)量的芯片產(chǎn)品。3.1.5VHDL的特點(diǎn)4．上市時(shí)間短、成本低VHDL和可編程邏輯器件很好地結(jié)合，可以大大提高數(shù)字產(chǎn)品芯片化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)速度。VHDL使設(shè)計(jì)描述更加方便、快捷，可編程邏輯器件的應(yīng)用可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并使設(shè)計(jì)的快速?gòu)?fù)制簡(jiǎn)單易行。3.2編碼器的設(shè)計(jì)

在一些場(chǎng)合，需要用特定的符號(hào)或數(shù)碼表示特定的對(duì)象，例如一個(gè)班級(jí)中的每個(gè)同學(xué)都有不重復(fù)的學(xué)號(hào)，每個(gè)電話用戶都有一個(gè)特定的號(hào)碼等。在數(shù)字電路中，需要將具有某種特定含義的信號(hào)變成代碼，利用代碼表示具有特定含義對(duì)象的過(guò)程，稱為編碼。能夠完成編碼功能的器件，稱為編碼器（Encoder）。編碼器分為普通編碼器和優(yōu)先級(jí)編碼器兩類。3.2.1數(shù)據(jù)對(duì)象1．常量CONSTANT常量名[，常量名…]：數(shù)據(jù)類型：=表達(dá)式；CONSTANTVCC：REAL:=3.3；--常量VCC的類型是實(shí)

數(shù)，值為3.3CONSTANTGND：INTEGER:=0；--常量GND的類型是

整數(shù)，值為0CONSTANTDELAY：TIME:=100ns；--常量DELAY是

時(shí)間類型，初值為100ns。數(shù)值和單位之間要留空格。3.2.1數(shù)據(jù)對(duì)象2．變量VARIABLE變量名[，變量名…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][：=表達(dá)式]；VARIABLEs1，s2：INTEGER:=256；VARIABLEcont：INTEGERRANGE0TO10；第一條語(yǔ)句中變量s1和s2都為整數(shù)類型，初值都是256；第二條語(yǔ)句中，RANGE…TO…是約束條件，表示變量cont的數(shù)據(jù)限制在0~10的整數(shù)范圍內(nèi)。變量CONT沒(méi)有指定初值，則取默認(rèn)值，默認(rèn)值為該類型數(shù)據(jù)的最小值或最左端值，那么本條語(yǔ)句中cont初值為0（最左端值）。3.2.1數(shù)據(jù)對(duì)象3．信號(hào)SIGNAL信號(hào)名[，信號(hào)名…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][：=表達(dá)式]；SIGNALa，b：INTEGER：RANGE0TO7:=5；SIGNALground：BIT:='0'；第一條語(yǔ)句定義整數(shù)類型信號(hào)a、b，取值范圍限定在0~7，并賦初值5；第二條語(yǔ)句定義位信號(hào)ground并賦初值'0'。在VHDL程序中，信號(hào)和變量是兩個(gè)經(jīng)常使用的對(duì)象，都要求先聲明，后使用，具有一定的相似性，其主要區(qū)別如下：（1）在聲明中賦初值，都使用:=運(yùn)算符；聲明后使用時(shí)，信號(hào)賦值使用<=運(yùn)算符，變量賦值仍然使用:=運(yùn)算符；（2）信號(hào)賦值有附加延時(shí)，變量賦值則沒(méi)有。（3）對(duì)于進(jìn)程語(yǔ)句，進(jìn)程只對(duì)信號(hào)敏感，不對(duì)變量敏感。（4）外部信號(hào)表示端口，內(nèi)部信號(hào)可看成硬件中的一根連線。變量在硬件中沒(méi)有類似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，常用于保存運(yùn)算的中間結(jié)果。描述硬件邏輯時(shí)，還是應(yīng)以信號(hào)為主，盡量減少變量的使用。3.2.2VHDL的運(yùn)算符（1）邏輯運(yùn)算符。（2）關(guān)系運(yùn)算符。（3）移位運(yùn)算符。（4）符號(hào)運(yùn)算符。（5）連接運(yùn)算符。（6）算術(shù)運(yùn)算符。3.2.3賦值語(yǔ)句賦值語(yǔ)句是將一個(gè)值或者一個(gè)表達(dá)式的結(jié)果傳遞給某一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，數(shù)據(jù)在實(shí)體內(nèi)部的傳遞以及對(duì)端口外的傳遞都必須通過(guò)賦值語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。VHDL語(yǔ)言提供了兩種類型的賦值語(yǔ)句：信號(hào)賦值語(yǔ)句和變量賦值語(yǔ)句。變量賦值語(yǔ)句和信號(hào)賦值語(yǔ)句的語(yǔ)法格式如下：變量:=表達(dá)式；信號(hào)<=表達(dá)式；LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYvote_3ISPORT(A,B,C:INSTD_LOGIC;Y:OUTSTD_LOGIC);ENDvote_3;ARCHITECTUREdeOFvote_3ISSIGNALe:STD_LOGIC;--定義e為信號(hào)BEGINY<=(AANDB)OR(AANDC)ORe;--以下兩條并行語(yǔ)句與書(shū)寫(xiě)順序無(wú)關(guān)e<=BANDC;ENDde;用賦值語(yǔ)句描述三人表決器三人表決器的波形3.2.4選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句WITH選擇表達(dá)式SELECT目標(biāo)信號(hào)<=信號(hào)表達(dá)式1WHEN選擇條件1，信號(hào)表達(dá)式2WHEN選擇條件2，

……，信號(hào)表達(dá)式nWHEN選擇條件n；先對(duì)選擇條件表達(dá)式進(jìn)行判斷，當(dāng)選擇條件表達(dá)式的值符合某一選擇條件時(shí)，就將該條件前面的信號(hào)表達(dá)式賦給目標(biāo)信號(hào)。例如，當(dāng)選擇條件表達(dá)式的值符合條件1時(shí)，就將信號(hào)表達(dá)式1賦給目標(biāo)信號(hào)；當(dāng)選擇條件表達(dá)式的值符合選擇條件n時(shí)，就將信號(hào)表達(dá)式n賦給目標(biāo)信號(hào)。（1）只有當(dāng)選擇條件表達(dá)式的值符合某一選擇條件時(shí)，才將該選擇條件前面的信號(hào)表達(dá)式賦給目標(biāo)信號(hào)。（2）每一個(gè)信號(hào)表達(dá)式后面都含有WHEN子句。（3）由于選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句是并發(fā)執(zhí)行的，所以不能夠在進(jìn)程中使用。（4）對(duì)選擇條件的測(cè)試是同時(shí)進(jìn)行的，語(yǔ)句將對(duì)所有的選擇條件進(jìn)行判斷，而沒(méi)有優(yōu)先級(jí)之分。這時(shí)如果選擇條件重疊，就有可能出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)表達(dá)式賦給同一目標(biāo)信號(hào)，這樣就會(huì)引起信號(hào)沖突，因此不允許有選擇條件重疊的情況。（5）選擇條件不允許出現(xiàn)涵蓋不全的情況。如果選擇條件不能涵蓋選擇條件表達(dá)式的所有值，就有可能出現(xiàn)選擇條件表達(dá)式的值找不到與之符合的選擇條件，這時(shí)編譯將會(huì)給出錯(cuò)誤信息。用選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句描述“四選一”電路LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYmux4ISPORT(d0,d1,d2,d3：INSTD_LOGIC；s0,s1：INSTD_LOGIC；q：OUTSTD_LOGIC)；ENDmux4；ARCHITECTURErt1OFmux4ISSIGNALcomb：STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0)；BEGINcomb<=s1&s0；WITHcombSELECTq<=d0WHEN"00",d1WHEN"01",d2WHEN"10",d3WHEN"11",'Z'WHENOTHERS；--'Z'必須大寫(xiě)，表示高阻狀態(tài)ENDrt1；用選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句描述“四選一”電路需要注意的是，以上程序的選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句中，comb的值"00"、"01"、"10"和"11"被明確規(guī)定，而用保留字OTHERS來(lái)表示comb的所有其他可能值。因此，為了使選擇條件能夠涵蓋選擇條件表達(dá)式的所有值，這里用OTHERS來(lái)代替comb的所有其他可能值。注意：每條WHEN短句表示并列關(guān)系用逗號(hào)，最后一句用分號(hào)。選擇器的波形3.2.58-3線普通編碼器

普通編碼器在某一時(shí)刻只能對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼，即只能有一個(gè)輸入端有效，當(dāng)信號(hào)高電平有效時(shí)，則應(yīng)只有一個(gè)輸入信號(hào)為高電平，其余輸入信號(hào)均為低電平。一般來(lái)說(shuō)，由于n位二進(jìn)制代碼可以表示2n種不同的狀態(tài)，所以，2n個(gè)輸入信號(hào)只需要n個(gè)輸出就完成編碼工作。

1．題目要求利用QuartusⅡ軟件的文本輸入方式，設(shè)計(jì)一個(gè)8-3線普通編碼器，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)8-3線普通編碼器電路具有8個(gè)輸入端，3個(gè)輸出端（23=8），屬于二進(jìn)制編碼器。用X7~X0表示8路輸入，Y2~Y0表示3路輸出。原則上對(duì)輸入信號(hào)的編碼是任意的，常用的編碼方式是按照二進(jìn)制的順序由小到大進(jìn)行編碼。輸入變量輸出變量X7X6X5X4X3X2X1X0Y2Y1Y00000000100000000010001000001000100000100001100010000100001000001010100000011010000000111表3-48-3線普通編碼器真值表LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.ALL;ENTITYENCODEISPORT(X:INstd_logic_VECTOR(7DOWNTO0);Y:BUFFERstd_logic_VECTOR(2DOWNTO0));ENDENCODE;編碼器程序ARCHITECTUREAOFENCODEISBEGINWITHXSELECTY<="000"WHEN"00000001","001"WHEN"00000010","010"WHEN"00000100","011"WHEN"00001000","100"WHEN"00010000","101"WHEN"00100000","110"WHEN"01000000","111"WHEN"10000000","ZZZ"WHENOTHERS;--“ZZZ”必須大寫(xiě)，表示高阻狀態(tài)ENDA;仿真波形從仿真結(jié)果中可以看出，在0~100ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000000，沒(méi)有按鍵按下，輸出Y（編碼）=ZZZ，表示高阻狀態(tài)；在100ns~200ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000001，X0按鍵按下，輸出Y（編碼）=000；在200ns~300ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000010，X1按鍵按下，輸出Y（編碼）=001；在300ns~400ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000011，X1和X0按鍵都被按下，多余1個(gè)按鍵，輸出Y（編碼）=ZZZ，表示高阻狀態(tài)。其他區(qū)間的波形情況符合8-3線普通編碼器。按下與X7鎖定的按鍵，輸出信號(hào)應(yīng)該為111；抬起與X7鎖定的按鍵，按下與X3鎖定的按鍵，輸出信號(hào)應(yīng)該為011；不抬起與X3鎖定的按鍵，再按下與X7鎖定的按鍵，由于輸入編碼信號(hào)超過(guò)1個(gè)，輸出信號(hào)為高阻狀態(tài)（觀察與低電平的區(qū)別）；按下與其他信號(hào)端鎖定的按鍵，觀察輸出信號(hào)。電路測(cè)試3.3優(yōu)先編碼器的設(shè)計(jì)

普通編碼器工作時(shí)若同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)以上的有效輸入信號(hào)，則會(huì)造成電路工作的混亂，為此設(shè)計(jì)了優(yōu)先編碼器。

優(yōu)先編碼器允許多個(gè)有效輸入信號(hào)同時(shí)存在，但根據(jù)事先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)別不同，編碼器只輸入信號(hào)中優(yōu)先級(jí)別最高的編碼請(qǐng)求，而不響應(yīng)其他的輸入信號(hào)。3.3.1數(shù)據(jù)類型1．STANDARD程序包中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（1）整數(shù)類型（INTEGER）

整數(shù)與數(shù)學(xué)中的整數(shù)相似，包括正整數(shù)、零、負(fù)整數(shù)。整數(shù)類型可進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。整數(shù)類型的表示范圍是-231~231-1，這么大范圍的數(shù)值及其運(yùn)算在硬件電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將消耗很大的器件資源，而實(shí)際涉及的整數(shù)范圍通常很小，例如一個(gè)十進(jìn)制7端數(shù)碼管只需顯示“0~9”共10個(gè)數(shù)字。因此在使用整數(shù)類型時(shí)，要求用RANGE語(yǔ)句為定義的整數(shù)確定一個(gè)范圍。例如：SIGNALnum：INTEGERRANGE0TO255；--定義整型信號(hào)num的范圍0~255整數(shù)包括十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制，默認(rèn)進(jìn)制是十進(jìn)制。其他進(jìn)制在表示時(shí)用符號(hào)#區(qū)分進(jìn)制與數(shù)值。例如：123表示十進(jìn)制整數(shù)123、2#0110#表示二進(jìn)制整數(shù)0110、8#576#表示八進(jìn)制整數(shù)576、16#FA#表示十六進(jìn)制整數(shù)FA。3.3.1數(shù)據(jù)類型1．STANDARD程序包中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（2）自然數(shù)（NATURAL）和正整數(shù)（POSITIVE）

自然數(shù)類型是整數(shù)的子集，正整數(shù)類型又是自然數(shù)類型的子集。自然數(shù)包括零和正整數(shù)，正整數(shù)只包括大于零的整數(shù)。3.3.1數(shù)據(jù)類型1．STANDARD程序包中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（3）實(shí)數(shù)（REAL）類型

與數(shù)學(xué)中的實(shí)數(shù)類似，數(shù)據(jù)范圍是-1.0E38~+1.0E38。書(shū)寫(xiě)時(shí)一定要有小數(shù)點(diǎn)（包括小數(shù)部分為0時(shí)）或采用科學(xué)計(jì)數(shù)形式。VHDL僅在仿真時(shí)可使用該類型，在綜合過(guò)程中綜合器是不支持實(shí)數(shù)類型的。實(shí)數(shù)也包括十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制，例如：2.0表示十進(jìn)制實(shí)數(shù)2.0、605.3表示十進(jìn)制實(shí)數(shù)605.3、8#46.1#E+5表示八進(jìn)制實(shí)數(shù)46.1E+5。注意：不能把實(shí)數(shù)賦給信號(hào)，只能賦給實(shí)數(shù)類型的變量。3.3.1數(shù)據(jù)類型1．STANDARD程序包中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（4）位（BIT）類型

位數(shù)據(jù)類型是屬于可枚舉類型，信號(hào)常用位表示，位值用帶單引號(hào)括起來(lái)的'0'和'1'表示，只代表電平的高低，與整數(shù)中的0和1意義不同。位類型可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，而整數(shù)類型只能進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。（5）位向量（BIT_VECTOR）類型

位矢量是用雙引號(hào)括起來(lái)的一組數(shù)據(jù)，是基于位數(shù)據(jù)類型的數(shù)組，可以表示二進(jìn)制（符號(hào)為B，可缺?。?、八進(jìn)制（符號(hào)為O）、十進(jìn)制（符號(hào)為D）或十六進(jìn)制（符號(hào)為H）的位矢量，例如"011010"、H"00AB"，分別表示二進(jìn)制位矢量"011010"和十六進(jìn)制位矢量"00AB"。使用位矢量通常要聲明位寬，即數(shù)組中元素的個(gè)數(shù)和排列順序。例如：SIGNALA：BIT_VECTOR（3DOWNTO0）；A<="0101"；表示信號(hào)A被定義為具有4位位寬的位矢量，最左位（即最高位）是A（3）=0，A（2）=1，A（1）=0，最右位（即最低位）是A（0）=1。如果寫(xiě)成：SIGNALA：BIT_VECTOR（0TO3）；A<="0101"；同樣表示信號(hào)A被定義為具有4位位寬的位矢量，但最左位（即最低位）是A（0）=0，A（1）=1，A（2）=0，最右位（即最高位）是A（3）=1。（6）布爾（BOOLEAN）類型

布爾類型只有TURE和FALSE兩種取值，初值通常定義為FALSE。雖然布爾類型也是二值枚舉量，但與位數(shù)據(jù)類型不同，沒(méi)有數(shù)值的含義，不能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。關(guān)系表達(dá)式或邏輯表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果就是布爾類型，當(dāng)表達(dá)式成立時(shí)，表達(dá)式值為T(mén)RUE；表達(dá)式不成立，表達(dá)式值為FALSE。（7）字符（CHARACTER）類。（8）字符串（STRING）類型（9）時(shí)間（TIME）類型（10）錯(cuò)誤等級(jí)（SEVERITYLEVEL）類型2．IEEE庫(kù)中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（1）標(biāo)準(zhǔn)邏輯位（STD_LOGIC）數(shù)據(jù)類型。

在IEEE庫(kù)的STD_LOGIC_1164程序包中定義，是一個(gè)邏輯型的數(shù)據(jù)類型，取代STANDARD程序包中的BIT數(shù)據(jù)類型，擴(kuò)展定義了9種值，符號(hào)和含義分別為'U'表示未初始化；'X'表示不定；'0'表示低電平；'1'表示高電平；'Z'表示高阻；'W'表示弱信號(hào)不定；'L'表示弱信號(hào)低電平；'H'表示弱信號(hào)高電平；'-'表示可忽略（任意）狀態(tài)。需要注意的是：表示高阻的'Z'必須大寫(xiě)；'U'、'X'和'W'不能被綜合工具支持，僅用于仿真。2．IEEE庫(kù)中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（2）標(biāo)準(zhǔn)邏輯位向量（STD_LOGIC_VECTOR）數(shù)據(jù)類型。

是基于STD_LOGIC數(shù)據(jù)類型的一維數(shù)組，使用時(shí)必須說(shuō)明位寬和排列順序，數(shù)據(jù)要用雙引號(hào)括起來(lái)。例如：SIGNALA：STD_LOGIC_VECTOR（0TO7）；A<=H"47"；--定義信號(hào)A為十六進(jìn)制數(shù)472．IEEE庫(kù)中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（3）無(wú)符號(hào)（UNSIGNED）數(shù)據(jù)類型。在IEEE庫(kù)的STD_LOGIC_ARITH或STD_LOGIC_UNSIGNED程序包中定義，是由STD_LOGIC數(shù)據(jù)類型構(gòu)成的一維數(shù)組，表示一個(gè)自然數(shù)。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)除了執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算外，還要執(zhí)行邏輯運(yùn)算，就必須定義成UNSIGNED。例如：SIGNALDAT：UNSIGNED（3DOWNTO0）；DAT<="0110"；定義信號(hào)DAT是4位二進(jìn)制數(shù)碼表示的無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)，數(shù)值是6。2．IEEE庫(kù)中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型（4）有符號(hào)（SIGNED）數(shù)據(jù)類型。在IEEE庫(kù)的STD_LOGIC_ARITH或STD_LOGIC_SIGNED程序包中定義，表示一個(gè)帶符號(hào)的整數(shù)，其最高位是符號(hào)位（0代表正整數(shù)，1代表負(fù)整數(shù)），用補(bǔ)碼表示數(shù)值。SIGNALSIGNEDDAT：SIGNED（3DOWNTO0）；SIGNEDDAT<="1101"；定義信號(hào)SIGNEDDAT是4位二進(jìn)制數(shù)碼表示的有符號(hào)數(shù)據(jù)，數(shù)值是-3。信號(hào)<=表達(dá)式1WHEN賦值條件1ELSE

表達(dá)式2WHEN賦值條件2ELSE……

表達(dá)式n；執(zhí)行該語(yǔ)句時(shí)首先要進(jìn)行條件判斷，然后再進(jìn)行信號(hào)賦值操作。例如，當(dāng)條件1滿足時(shí)，就將表達(dá)式1的值賦給目標(biāo)信號(hào)；當(dāng)條件2滿足時(shí)，就將表達(dá)式2的值賦給目標(biāo)信號(hào)；當(dāng)所有的條件都不滿足時(shí)，就將表達(dá)式n的值賦給目標(biāo)信號(hào)。3.3.2條件信號(hào)賦值語(yǔ)句使用條件信號(hào)賦值語(yǔ)句時(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）只有當(dāng)條件滿足時(shí)，才能將該條件前面的表達(dá)式值賦給目標(biāo)信號(hào)。（2）對(duì)條件進(jìn)行判斷是有順序的，位置靠前的條件具有較高的優(yōu)級(jí)，只有不滿足本條件的時(shí)候才會(huì)去判斷下一個(gè)條件。（3）條件表達(dá)式的結(jié)果為布爾類型。（4）最后一個(gè)表達(dá)式后面不含有WHEN子句。（5）條件信號(hào)賦值語(yǔ)句允許條件重疊，但位置在后面的條件不會(huì)被執(zhí)行。LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYselection4ISPORT（a：INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）；sel：INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）；y：OUTSTD_LOGIC）；ENDselection4；ARCHITECTUREoneOFselection4ISBEGINy<=a（0）WHENsel="00"ELSE--從第一個(gè)條件開(kāi)始判斷a（1）WHENsel="01"ELSEa（2）WHENsel="10"ELSEa（3）；

ENDone；用條件信號(hào)賦值語(yǔ)句描述“四選一”電路。“4選1”數(shù)據(jù)選擇器波形8421-BCD優(yōu)先編碼器的設(shè)計(jì)1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的文本輸入方式，設(shè)計(jì)一個(gè)8421-BCD優(yōu)先編碼器，設(shè)大數(shù)優(yōu)先級(jí)別高，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。

2．電路設(shè)計(jì)8421-BCD優(yōu)先編碼器具有10個(gè)輸入端，分別代表十進(jìn)制數(shù)9~0，用X9~X0表示；具有4個(gè)輸出端，代表對(duì)應(yīng)輸入的8421碼，用Y3~Y0表示。根據(jù)題意輸入十進(jìn)制數(shù)越大，其優(yōu)先級(jí)別越高。輸入變量輸出變量X9X8X7X6X5X4X3X2X1X0Y3Y2Y1Y0

00000000010000

000000001×0001

00000001××0010

0000001×××0011

000001××××0100

00001×××××0101

0001××××××0110

001×××××××0111

01××××××××1000

1×××××××××1001

8421-BCD優(yōu)先編碼器真值表LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.ALL;ENTITYPENCODEISPORT(X:INstd_logic_VECTOR(9DOWNTO0);Y:OUTstd_logic_VECTOR(3DOWNTO0));ENDPENCODE;參考程序：ARCHITECTUREAOFPENCODEISBEGINY<="1001"WHENX(9)='1'ELSE"1000"WHENX(8)='1'ELSE"0111"WHENX(7)='1'ELSE"0110"WHENX(6)='1'ELSE"0101"WHENX(5)='1'ELSE"0100"WHENX(4)='1'ELSE"0011"WHENX(3)='1'ELSE"0010"WHENX(2)='1'ELSE"0001"WHENX(1)='1'ELSE"0000"WHENX(0)='1'ELSE"ZZZZ";ENDA;仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，在0~100ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000000，沒(méi)有按鍵按下，輸出Y（編碼）=ZZZ，表示高阻狀態(tài)；

在100ns~200ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000001，X0按鍵按下，輸出Y（編碼）=000；

在200ns~300ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000010，X1按鍵按下，輸出Y（編碼）=001；

在300ns~400ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=00000011，X1和X0按鍵都被按下，按照優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，X1的優(yōu)先級(jí)更高，輸出Y（編碼）=001，表示高阻狀態(tài)。其他區(qū)間的波形情況符合8421-BCD優(yōu)先編碼器。按下與X7鎖定的按鍵，輸出信號(hào)應(yīng)該為0111；按下與X3鎖定的按鍵，如果沒(méi)有抬起與X7鎖定的按鍵，輸出信號(hào)應(yīng)該仍為0111，抬起與X7鎖定的按鍵后才能輸出0011；同樣操作與其他信號(hào)端鎖定的按鍵，觀察輸出信號(hào)。電路測(cè)試3.4.1塊語(yǔ)句

塊語(yǔ)句是一種并行語(yǔ)句的組合方式，可以使程序更加有層次、更加清晰。在物理意義上，一個(gè)塊語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)子電路；在邏輯電路圖上，一個(gè)塊語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)子電路圖。塊語(yǔ)句的格式如下：塊標(biāo)號(hào)：BLOCK

說(shuō)明語(yǔ)句；

BEGIN

并行語(yǔ)句；

……；ENDBLOCK塊標(biāo)號(hào)；塊標(biāo)號(hào)是塊的名稱，塊說(shuō)明語(yǔ)句與結(jié)構(gòu)體的說(shuō)明語(yǔ)句相同，用來(lái)定義塊內(nèi)局部信號(hào)、數(shù)據(jù)類型、元件和子程序，在塊內(nèi)并行語(yǔ)句區(qū)可以使用所有的并行語(yǔ)句。LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；ENTITYadsuISPORT（a，b：INSTD_LOGIC；co，sum，bo，sub：OUTSTD_LOGIC）；ENDadsu；設(shè)計(jì)一個(gè)電路，包含一個(gè)半加器和一個(gè)半減器ARCHITECTUREstrOFadsuISBEGINhalf_add：BLOCK--半加器塊開(kāi)始BEGINsum<=aXORb；co<=aANDb；ENDBLOCKhalf_add；--半加器塊結(jié)束half_sub：BLOCK--半減器塊開(kāi)始BEGINsub<=aXORb；bo<=（NOTa）ANDb；

ENDBLOCKhalf_sub；--半減器塊結(jié)束ENDstr；

設(shè)計(jì)一個(gè)4-2編碼器，能夠?qū)Υ?~3數(shù)碼的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行編碼，同時(shí)輸出普通編碼和優(yōu)先編碼（數(shù)碼越小優(yōu)先級(jí)越高），比較2種編碼器的區(qū)別。1．題目分析

根據(jù)題意，使用塊語(yǔ)句設(shè)計(jì)4-2編碼器，包含普通編碼塊和優(yōu)先編碼塊（數(shù)碼越小優(yōu)先級(jí)越高），普通編碼塊使用選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)；優(yōu)先編碼塊使用條件賦值信號(hào)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。2．建立項(xiàng)目3．編輯與編譯3.4.2編碼模塊LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYcodeblockISPORT(X:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);EY,PY:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0));ENDcodeblock;參考程序ARCHITECTUREstrOFcodeblockISBEGINencode:BLOCK--普通編碼器塊開(kāi)始BEGINWITHXSELECTEY<="00"WHEN"0001","01"WHEN"0010","10"WHEN"0100","11"WHEN"1000","ZZ"WHENOTHERS;--“ZZ”必須大寫(xiě)，表

示高阻狀態(tài)ENDBLOCKencode;--普通編碼器塊結(jié)束pencode:BLOCK--優(yōu)先編碼器塊開(kāi)始BEGINPY<="11"WHENX(0)='1'ELSE"10"WHENX(1)='1'ELSE"01"WHENX(2)='1'ELSE"00"WHENX(3)='1'ELSE"ZZ";--“ZZ”必須大寫(xiě)，表示

高阻狀態(tài)ENDBLOCKpencode;--優(yōu)先編碼器塊結(jié)束ENDstr;普通編碼器和優(yōu)先編碼器仿真波形

從仿真結(jié)果中可以看出，在0~50ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=0000，沒(méi)有按鍵按下，輸出EY（普通編碼）=ZZ、PY（優(yōu)先編碼）=ZZ，沒(méi)有編碼；在50ns~100ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=0001，X0按鍵按下，輸出EY（普通編碼）=00、PY（優(yōu)先編碼）=11；在150ns~200ns區(qū)間，X（編碼按鍵）=0011，X0和X1按鍵都被按下，輸出EY（普通編碼）=ZZ（超過(guò)1個(gè)按鍵被按下，沒(méi)有編碼）、PY（優(yōu)先編碼）=11（按照優(yōu)先級(jí)，給X0編碼）。1．題目說(shuō)明

譯碼器是把輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，與編碼器正好相反。設(shè)3-8線譯碼器的輸入端為d2~d0；輸出端為y7~y0，低電平有效。3-8線譯碼器真值表3.5實(shí)訓(xùn)3-8線譯碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)輸入變量輸出變量d2d1d0y7y6y5y4y3y2y1y00001111111000111111101010111110110111111011110011101111101110111111101011111111101111111參考8-3線編碼器程序，使用信號(hào)賦值語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。3．實(shí)訓(xùn)報(bào)告（1）寫(xiě)出VHDL程序。（2）記錄仿真波形。（3）分析實(shí)訓(xùn)結(jié)果。2．設(shè)計(jì)提示EDA項(xiàng)目教程

——基于VHDL與FPGA本章要點(diǎn)

VHDL語(yǔ)言的順序語(yǔ)句

鍵盤(pán)輸入程序設(shè)計(jì)

數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目4

計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

計(jì)數(shù)器的邏輯功能就是記憶時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，是數(shù)字系統(tǒng)中常用的一種具有記憶功能的電路，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)、分頻和定時(shí)等功能。4.1十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)4.1.1進(jìn)程語(yǔ)句一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)可以包含多個(gè)進(jìn)程語(yǔ)句，多個(gè)進(jìn)程之間是同時(shí)執(zhí)行的。進(jìn)程語(yǔ)句本身是并行語(yǔ)句，但每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)部則由一系列順序語(yǔ)句構(gòu)成。進(jìn)程語(yǔ)句的格式如下：[進(jìn)程名]：PROCESS（敏感信號(hào)表）[IS]進(jìn)程說(shuō)明；--說(shuō)明用于該進(jìn)程的常數(shù)，變量和子程序

BEGIN

變量和信號(hào)賦值語(yǔ)句；順序語(yǔ)句；ENDPROCESS[進(jìn)程名]；（1）進(jìn)程名：表示該進(jìn)程的名稱，可以缺省。（2）敏感信號(hào)：列出觸發(fā)啟動(dòng)本進(jìn)程的全部信號(hào)名，通常所有的輸入端口都可以列入。當(dāng)任意一個(gè)敏感信號(hào)的值發(fā)生變化時(shí)，立即啟動(dòng)進(jìn)程語(yǔ)句，進(jìn)程中的順序語(yǔ)句按書(shū)寫(xiě)順序循環(huán)執(zhí)行，直到敏感信號(hào)值穩(wěn)定不變?yōu)橹?。?）說(shuō)明部分：可以缺省。定義該進(jìn)程所需的局部數(shù)據(jù)環(huán)境，包括常量、變量和子程序等，但不能定義信號(hào)，信號(hào)只能在結(jié)構(gòu)體的說(shuō)明部分定義。（4）順序語(yǔ)句組：通常包含變量賦值語(yǔ)句、信號(hào)賦值語(yǔ)句、IF語(yǔ)句、CASE語(yǔ)句等順序語(yǔ)句。進(jìn)程語(yǔ)句的主要特點(diǎn)歸納如下：（1）同一結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)進(jìn)程之間是并發(fā)執(zhí)行的，并且都可以使用實(shí)體說(shuō)明和結(jié)構(gòu)體中所定義的信號(hào)、常量和變量；但同一進(jìn)程中的順序語(yǔ)句組則是按照書(shū)寫(xiě)順序執(zhí)行的順序語(yǔ)句。（2）為啟動(dòng)進(jìn)程，進(jìn)程的結(jié)構(gòu)中必須至少包含一個(gè)敏感信號(hào)。敏感信號(hào)通常是時(shí)鐘脈沖、輸入端口等。但一個(gè)進(jìn)程中不允許出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。（3）結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)進(jìn)程之間，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)體中定義的信號(hào)或變量來(lái)進(jìn)行通信，但在進(jìn)程說(shuō)明部分定義的變量，只能在該進(jìn)程內(nèi)部使用。（4）VHDL中所有并行語(yǔ)句都可以理解為特殊的進(jìn)程，只是不以PROCESS結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其邏輯表達(dá)式中的信號(hào)就是隱含的敏感信號(hào)。4.1.2IF語(yǔ)句（1）跳轉(zhuǎn)控制。格式如下：

IF條件THEN

順序語(yǔ)句；

ENDIF；當(dāng)程序執(zhí)行到IF語(yǔ)句時(shí)，先判斷IF語(yǔ)句指定的條件是否成立。如果成立，IF語(yǔ)句所包含的順序處理語(yǔ)句將被執(zhí)行；如果條件不成立，程序跳過(guò)IF語(yǔ)句包含的順序語(yǔ)句，而執(zhí)行ENDIF語(yǔ)句后面的語(yǔ)句，這里的條件起到?jīng)Q定是否跳轉(zhuǎn)的作用。LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYdffcISPORT（clk，d：INSTD_LOGIC；qout：OUTSTD_LOGIC）；ENDdffc；用IF語(yǔ)句描述一個(gè)上升沿觸發(fā)的基本D觸發(fā)器ARCHITECTUREoneOFdffcISBEGINPROCESS（CLK）BEGINIF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN--判斷時(shí)鐘脈沖上升沿qout<=d；ENDIF；ENDPROCESS；ENDone；從仿真波形中可以看出，在0~100ns區(qū)間，CLK在50ns處出現(xiàn)上升沿，D=0，輸出Q=0；在100ns~200ns區(qū)間，CLK在150ns處出現(xiàn)上升沿，D=1，輸出Q=1；在200ns~300ns區(qū)間，CLK在250ns處出現(xiàn)上升沿，D=0，輸出Q=0。其他區(qū)間的波形情況符合時(shí)鐘上升沿觸發(fā)的基本D觸發(fā)器。時(shí)鐘上升沿觸發(fā)的基本D觸發(fā)器仿真波形（2）二選一控制。格式如下：IF條件THEN順序語(yǔ)句；ELSE順序語(yǔ)句；ENDIF；根據(jù)IF所指定的條件是否成立，程序可以選擇兩種不同的執(zhí)行路徑，當(dāng)條件成立時(shí)，程序執(zhí)行THEN和ELSE之間的順序語(yǔ)句部分，再執(zhí)行ENDIF之后的語(yǔ)句；當(dāng)IF語(yǔ)句的條件不成立時(shí)，程序執(zhí)行ELSE和ENDIF之間的順序語(yǔ)句，再執(zhí)行ENDIF之后的語(yǔ)句。設(shè)a和b為選擇電路的輸入信號(hào)，sel為選擇控制信號(hào)，output為輸出信號(hào)。ENTITYselection2ISPORT（a，b，sel：INBIT；output：OUTBIT）；ENDselection2；用IF語(yǔ)句描述一個(gè)“二選一”電路ARCHITECTUREdataOFselection2ISBEGINPROCESS（a，b，sel）BEGINIF（sel='1'）THEN--控制信號(hào)sel為1

則輸出aoutput<=a；ELSEoutput<=b；ENDIF；ENDPROCESS；ENDdata；（3）多選擇控制語(yǔ)句。格式如下：IF條件1THEN順序語(yǔ)句1；

ELSIF條件2THEN順序語(yǔ)句2；

……；

ELSIF條件nTHEN順序語(yǔ)句n；

ELSE順序語(yǔ)句n+1；ENDIF；多選擇控制的IF語(yǔ)句，可允許在一個(gè)語(yǔ)句中出現(xiàn)多重條件，實(shí)際上是條件的嵌套。當(dāng)滿足所給定的多個(gè)條件之一時(shí)，就執(zhí)行該條件后的順序語(yǔ)句；當(dāng)所有的條件都不滿足時(shí)，則執(zhí)行ELSE和ENDIF之間的語(yǔ)句。注意：每個(gè)IF語(yǔ)句必須有一個(gè)對(duì)應(yīng)的ENDIF語(yǔ)句。設(shè)輸入信號(hào)為a0~a3，sel為選擇信號(hào)，y為輸出信號(hào)。LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYselection4ISPORT（a：INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）；sel：INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）；y：OUTSTD_LOGIC）；ENDselection4；用IF語(yǔ)句描述一個(gè)“四選一”電路ARCHITECTUREoneOFselection4ISBEGINPROCESS（a，sel）--進(jìn)程中任何一個(gè)信號(hào)出現(xiàn)變化，將導(dǎo)致進(jìn)程執(zhí)行一次BEGINIF（sel="00"）THENy<=a（0）；ELSIF（sel="01"）THENy<=a（1）；ELSIF（sel="10"）THENy<=a（2）；ELSEy<=a（3）；ENDIF；ENDPROCESS；ENDone；從仿真波形中可以看出，SEL=00時(shí)，輸出Y=A（0）；SEL=01時(shí)，輸出Y=A（1）；SEL=10時(shí)，輸出A（2）；SEL=11時(shí)，Y=A（3）。用IF語(yǔ)句描述“4選1”數(shù)據(jù)選擇器的仿真波形1．二進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器

設(shè)計(jì)一個(gè)4位二進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器，沒(méi)有控制端，系統(tǒng)通電就開(kāi)始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)單一遞增計(jì)數(shù)的功能。

定義一個(gè)臨時(shí)變量，使用IF語(yǔ)句判斷時(shí)鐘脈沖的上升沿，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，臨時(shí)變量就加1，最后將臨時(shí)變量值賦值給輸出信號(hào)。

由于結(jié)構(gòu)體中，進(jìn)行了加法運(yùn)算，使用了“+”號(hào)，需要調(diào)用STD_LOGIC_UNSIGNED程序包。設(shè)CLK為時(shí)鐘輸入端、Q為計(jì)數(shù)輸出端，臨時(shí)變量名為qtemp。4.1.3二進(jìn)制計(jì)數(shù)器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYbcountISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDbcount;參考程序：ARCHITECTUREaOFbcountISBEGINProcess(CLK)VARIABLEqtemp:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENqtemp:=qtemp+1;ENDIF;Q<=qtemp;ENDPROCESS;ENDa;二進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器仿真波形

從仿真波形中可以看出，在時(shí)鐘脈沖的上升沿，輸出Q按二進(jìn)制遞增，當(dāng)計(jì)數(shù)到1111時(shí)，下一個(gè)脈沖上升沿回到0000。

想一想、做一做：將VARIABLE（變量）改成SIGNAL（信號(hào)）是否可行？為什么？

設(shè)計(jì)一個(gè)3位二進(jìn)制同步清零可逆計(jì)數(shù)器，能實(shí)現(xiàn)遞增計(jì)數(shù)、遞減計(jì)數(shù)和同步清零功能。

時(shí)序邏輯電路的清零方式有同步和異步兩種。同步清零是指清零信號(hào)有效時(shí)，還要等待時(shí)鐘脈沖的有效沿到來(lái)，計(jì)數(shù)器才回到零狀態(tài)。

異步清零則不用等待時(shí)鐘有效沿的到來(lái)，只要清零信號(hào)有效，計(jì)數(shù)器就會(huì)清零。

可逆計(jì)數(shù)器就是增加一個(gè)計(jì)數(shù)方向控制端，用來(lái)控制是遞增計(jì)數(shù)還是遞減計(jì)數(shù)。2．二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYscountISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;CLR:INSTD_LOGIC;D:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0));ENDscount;

設(shè)CLK為時(shí)鐘輸入端、D為計(jì)數(shù)方式控制端（高電平為遞增計(jì)數(shù)、低電平為遞減計(jì)數(shù)）、CLR為清零控制端和Q為計(jì)數(shù)輸出端。參考程序如下。

ARCHITECTUREaOFscountISSIGNALQTMP:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);BEGINProcess(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENIFCLR='0'THENQTMP<="000";ELSIFD='1'THENQTMP<=QTMP+1;ELSEQTMP<=QTMP-1;ENDIF;ENDIF;Q<=QTMP;ENDPROCESS;ENDa;3位二進(jìn)制同步清零可逆計(jì)數(shù)器仿真波形

從仿真波形中可以看出，在0~100ns區(qū)間，CLR=0（清零有效），輸出Q=000；在100~500ns區(qū)間，CLR=1（清零無(wú)效）、D=1（遞增計(jì)數(shù)），輸出Q按二進(jìn)制遞增，計(jì)數(shù)到111時(shí)，下個(gè)脈沖上升沿回到000；在500ns~600ns區(qū)間，CLR=1（清零無(wú)效）、D=0（遞減計(jì)數(shù)），輸出Q按二進(jìn)制遞減；在600ns~700ns區(qū)間，CLR=0（清零有效），由于同步清零要等待時(shí)鐘脈沖的有效沿，所以輸出Q在625ns后清零，并保持到725ns。

想一想、做一做：刪除或注釋掉USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;存盤(pán)后編譯，看看顯示什么錯(cuò)誤？1．題目要求

利用QuartusⅡ軟件的文本輸入方式，設(shè)計(jì)一個(gè)4位異步清零、同步置數(shù)、同步使能的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，完成編譯和波形仿真后，下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路功能。2．電路設(shè)計(jì)

置數(shù)是設(shè)置計(jì)數(shù)初始值，使能是允許計(jì)數(shù)器工作。設(shè)CLR為異步清零端（低電平有效）、CE為計(jì)數(shù)使能端（高電平有效）、LOAD為同步置數(shù)端（高電平有效）、DIR為計(jì)數(shù)方向端（1表示遞增計(jì)數(shù)、0表示遞減計(jì)數(shù)）、DIN為置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端、Q為計(jì)數(shù)器輸出端。4.1.4十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYSPCOUNTISPORT(clk:INSTD_LOGIC;reset:INSTD_LOGIC;ce,load,dir:INSTD_LOGIC;din:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0); Q:BUFFERSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDSPCOUNT;ARCHITECTUREAOFSPCOUNTISBEGINPROCESS(clk,reset)VARIABLEcounter:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINIFreset='0'THENcounter:="0000";--reset高電平有效ELSIFclk'EVENTANDclk='1'THENIFload='1'THENcounter:=din;ELSEIFce='1'THENIFdir='1'THENIFcounter="1111"THENcounter:="0000";ELSEcounter:=counter+1;ENDIF;ELSEIFcounter="0000"THENcounter:="1111";ELSEcounter:=counter-1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;Q<=counter;ENDPROCESS;ENDA;

從仿真波形中可以看出，在0~40ns區(qū)間，CLR=0（異步清零有效），輸出Q=0000；40~80ns區(qū)間，CLR=1（異步清零無(wú)效）、LOAD=1（同步置數(shù)有效）、DIN=5（置數(shù)數(shù)據(jù)），輸出Q=0101（十進(jìn)制的5），與DIN相同；在80~360ns區(qū)間，CLR=1（異步清零無(wú)效）、LOAD=0（同步置數(shù)無(wú)效）、CE=1（計(jì)數(shù)使能有效）、DIR=1（遞增計(jì)數(shù)），輸出Q按十進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)；在360~480ns區(qū)間，CLR=1（異步清零無(wú)效）、LOAD=0（同步置數(shù)無(wú)效）、CE=0（計(jì)數(shù)使能無(wú)效），輸出Q=0010保持不變。同樣分析其他區(qū)間。異步清零同步置數(shù)可逆計(jì)數(shù)器仿真波形;

按鍵是最常見(jiàn)的人機(jī)交互接口部件。電子產(chǎn)品所需要的鍵盤(pán)按鍵個(gè)數(shù)非常有限，通常為幾個(gè)到十幾個(gè)不等，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)成專用的小鍵盤(pán)，常用的有編碼鍵盤(pán)、掃描鍵盤(pán)和虛擬鍵盤(pán)等。

數(shù)碼管是數(shù)字系統(tǒng)常用的顯示器件，鍵盤(pán)輸入的數(shù)碼管顯示器就是將鍵盤(pán)輸入的數(shù)碼顯示在數(shù)碼管上。4.2編碼鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)4.2.1CASE語(yǔ)句CASE表達(dá)式ISWHEN條件選擇值1=>順序語(yǔ)句1；WHEN條件選擇值2=>順序語(yǔ)句2；WHEN條件選擇值3=>順序語(yǔ)句3；……；WHENOTHERS=>順序語(yǔ)句n；ENDCASE；其中WHEN的條件選擇值有以下幾種形式：（1）單個(gè)數(shù)值，如WHEN3。（2）并列數(shù)值，如WHEN1|2，表示取值1或者2。（3）數(shù)值選擇范圍，如WHEN（1TO3），表示取值為1、2、或者3。（4）其他取值情況，如WHENOTHERS，常出現(xiàn)在ENDCASE之前，代表已給出的各條件選擇值中未能列出的其他可能取值。LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYmux41ISPORT(S1,S0:INSTD_LOGIC;A,B,C,D:INSTD_LOGIC;Y:OUTSTD_LOGIC);ENDmux41;用CASE語(yǔ)句描述“4選1”數(shù)據(jù)選擇器ARCHITECTUREoneOFmux41ISSIGNALS:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);BEGINPROCESS(S1,S0,A,B,C,D)BEGINS<=S1&S0;CASESISWHEN"00"=>Y<=A;WHEN"01"=>Y<=B;WHEN"10"=>Y<=C;WHEN"11"=>Y<=D;WHENOTHERS=>Y<='Z';ENDCASE;ENDPROCESS;ENDone;用CASE語(yǔ)句描述“4選1”數(shù)據(jù)選擇器波形

從仿真波形中可以看出，在0~100ns區(qū)間，S0=0、S1=0，即S=00，輸出Q=A；在100ns~200ns區(qū)間，S0=1、S1=0，即A=01，輸出Q=B；在200ns~300ns區(qū)間，S0=0、S1=1，即A=10，輸出Q=C；在300ns~400ns區(qū)間，S0=1、S1=1，即A=11，輸出Q=D。其他區(qū)間的波形情況符合“4選1”數(shù)據(jù)選擇器。4.2.2數(shù)碼管的靜態(tài)顯示數(shù)字系統(tǒng)常用的顯示器件有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、液晶顯示器等，其中最常用的是數(shù)碼管。數(shù)碼管分別由A、B、C、D、E、F、G位段和表示小數(shù)點(diǎn)的DP位段組成。內(nèi)部是由8個(gè)LED發(fā)光二極管組成的，控制每個(gè)LED的點(diǎn)亮或熄滅實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。數(shù)碼管分為共陽(yáng)極和共陰極兩種接法，把數(shù)碼管內(nèi)所有二極管的陽(yáng)極連接到一起的稱為共陽(yáng)極接法；把所有二極管的陰極連接到一起稱為共陰極接法。4.2.2數(shù)碼管的靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示就是將需要顯示的BCD碼數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼后，分別接到數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)端，每4位BCD碼連接一個(gè)數(shù)碼管。靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顯示穩(wěn)定，缺點(diǎn)是數(shù)碼較多時(shí)，會(huì)占用大量的I/O接口線。4位BCD譯碼器的輸入端有4個(gè)，共有24=16種不同的輸入組合，每一種組合可對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)碼，而十進(jìn)制數(shù)碼共有10個(gè)，因此會(huì)出現(xiàn)6個(gè)無(wú)效狀態(tài)，這時(shí)數(shù)碼管的顯示應(yīng)該為暗。LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYSDISPISPORT(D:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);S:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0));ENDSDISP;

ARCHITECTUREAOFSDISPISBEGINPROCESS(D)BEGINCASEDISWHEN"0000"=>S<="1111110";--0WHEN"0001"=>S<="0110000";--1WHEN"0010"=>S<="1101101";--2WHEN"0011"=>S<="1111001";--3WHEN"0100"=>S<="0110011";--4WHEN"0101"=>S<="1011011";--5WHEN"0110"=>S<="1011111";--6WHEN"0111"=>S<="1110000";--7WHEN"1000"=>S<="1111111";--8WHEN"1001"=>S<="1111011";--9WHENOTHERS=>S<="0000000";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDA;波形仿真4.2.3編碼鍵盤(pán)在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實(shí)現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼。

將每個(gè)按鍵的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)連接到編碼器的每個(gè)輸入端，通過(guò)編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對(duì)應(yīng)每個(gè)按鍵的碼值，稱這種鍵盤(pán)為編碼鍵盤(pán)。但是當(dāng)按鍵較多時(shí)，編碼鍵盤(pán)會(huì)由于按鍵和連線較多，造成成本高；另外直接編碼的方法也不夠靈括，一旦編碼邏輯固定就難以更改了。1．設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一個(gè)12-4線的編碼鍵盤(pán)，按鍵為彈起式，已經(jīng)過(guò)“去抖動(dòng)”處理。參考程序：12-4線的編碼鍵盤(pán)應(yīng)該有1個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入端、1個(gè)十二位的按鍵輸入端和1個(gè)四位的按鍵輸出端。設(shè)時(shí)鐘脈沖輸入端為CLK、按鍵輸入端為KEYIN、按鍵輸出端為KEYOUT。實(shí)體名為ENCODEJP。LIBRARYIEEE;--調(diào)用IEEE庫(kù)USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;--打開(kāi)程序包ENTITYENCODEJPISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;KEYIN:INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);KEYOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDENTITYENCODEJP;

ARCHITECTUREARTOFENCODEJPISSIGNALN:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);SIGNALZ:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);BEGINPROCESS(CLK,KEYIN)BEGINZ<=KEYIN;IFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCASEZISWHEN"000000000001"=>N<="0000";--0WHEN"000000000010"=>N<="0001";--1WHEN"000000000100"=>N<="0010";--2WHEN"000000001000"=>N<="0011";--3WHEN"000000010000"=>N<="0100";--4WHEN"000000100000"=>N<="0101";--5WHEN"000001000000"=>N<="0110";--6WHEN"000010000000"=>N<="0111";--7WHEN"000100000000"=>N<="1000";--8WHEN"001000000000"=>N<="1001";