《VHDL描述語句》課件

VHDL描述語句VHDL描述語句是硬件描述語言VHDL的核心，用于描述數(shù)字電路的結構和行為。課程安排基礎知識介紹VHDL語言基礎，涵蓋數(shù)據(jù)類型、運算符、語句等VHDL設計講解VHDL設計流程，包括實體、結構體、進程等概念硬件實現(xiàn)介紹VHDL代碼的硬件實現(xiàn)方式，包括仿真、綜合、布局布線等VHDL簡介VHDL是一種硬件描述語言，用于描述數(shù)字電路的設計。VHDL可以用于設計各種數(shù)字電路，例如微處理器、內存控制器、數(shù)字信號處理電路等。VHDL是一種強大的工具，可以幫助工程師設計出復雜而高效的數(shù)字電路。VHDL設計流程行為描述使用VHDL語言描述硬件的功能，不考慮硬件的具體實現(xiàn)細節(jié)。結構描述描述硬件的具體結構，包括電路的連接方式和各個模塊之間的關系。RTL描述介于行為描述和結構描述之間，以寄存器傳輸級描述硬件電路，既考慮功能又考慮實現(xiàn)細節(jié)。綜合將VHDL代碼轉換為硬件電路的描述，生成網表文件。布局布線將網表文件映射到具體的芯片上，確定各個電路元件的位置和連接方式。仿真在設計過程中模擬電路的行為，驗證設計是否滿足要求。VHDL設計單元基本單元VHDL語言使用多個基本單元構建復雜電路。電路結構VHDL代碼定義了電路的結構和行為。邏輯功能設計單元描述了電路的功能和邏輯關系。電路連接連接不同單元形成完整的電路設計。實體(Entity)11.實體定義實體定義描述了設計單元的外部接口，包括端口名稱和數(shù)據(jù)類型。22.端口聲明端口聲明指定了實體的輸入、輸出和雙向端口，以及數(shù)據(jù)類型。33.信號聲明在實體中，可以使用信號來表示外部引腳或內部連接。44.實體描述實體定義不包含任何邏輯實現(xiàn)，僅描述了設計單元的外部行為。實體端口端口定義定義實體中各個信號的名稱、方向和數(shù)據(jù)類型，用于連接實體與外部電路。輸入端口用關鍵字in定義，用于接收來自外部電路的信號，例如時鐘信號或數(shù)據(jù)信號。輸出端口用關鍵字out定義，用于向外部電路輸出信號，例如計算結果或控制信號。雙向端口用關鍵字inout定義，可以同時接收和發(fā)送信號，例如在數(shù)據(jù)總線中。體系結構體(Architecture)定義體系結構體是對實體的具體實現(xiàn)，描述了實體內部的邏輯結構和功能。每個實體可以有多個體系結構體，代表不同的實現(xiàn)方法。語法體系結構體定義使用“architecture”關鍵字，后面緊跟體系結構體名稱和“of”關鍵字，最后是實體名稱。體系結構體主體包含數(shù)據(jù)聲明和行為描述部分。進程(Process)并發(fā)執(zhí)行進程是VHDL中描述硬件行為的主要機制，允許代碼在硬件中并發(fā)執(zhí)行。敏感信號列表每個進程都包含一個敏感信號列表，當列表中的任何信號發(fā)生變化時，進程會立即執(zhí)行。順序執(zhí)行進程內部的語句按順序執(zhí)行，但在多個進程之間是并發(fā)執(zhí)行的，模擬硬件中的并行操作。信號賦值1賦值語句使用賦值語句將值賦給信號，用于描述硬件電路中信號的變化。2延遲時間可添加延遲時間參數(shù)，模擬信號在電路中傳輸?shù)难舆t。3賦值類型VHDL支持多種賦值類型，包括直接賦值、條件賦值和進程賦值。4賦值規(guī)則信號賦值遵循特定規(guī)則，確保賦值操作的正確性。變量賦值變量聲明變量是用來存儲數(shù)據(jù)的，在使用變量之前需要聲明變量類型，例如：integer、real、std_logic等。變量賦值使用符號“:=”來進行，例如：變量名:=值。變量聲明和賦值語句應在進程或函數(shù)內部進行，變量賦值時必須在進程或函數(shù)的敏感信號變化后才生效。變量作用變量主要用于程序內部的臨時計算或存儲數(shù)據(jù)，它們的值可以在程序運行時隨時修改。變量不會像信號那樣被自動保存到硬件電路中，而是被保存在程序內部的內存空間中。在使用變量進行賦值時，需要注意變量的類型和賦值的值是否匹配，否則會導致編譯錯誤或運行錯誤。常量定義常量在VHDL中，常量用于存儲在整個設計過程中不會改變的值。這為代碼提供了更好的可讀性和維護性。常量聲明常量使用關鍵字CONSTANT聲明，并為其指定一個名稱、數(shù)據(jù)類型和值。常量用途常量可以用于定義硬件參數(shù)、信號范圍、時鐘周期或其他固定值，使代碼更易于理解和修改。算術運算符加法運算符加法運算符用于對兩個操作數(shù)進行加法運算，返回它們的和。減法運算符減法運算符用于從第一個操作數(shù)中減去第二個操作數(shù)，返回它們的差。乘法運算符乘法運算符用于將兩個操作數(shù)相乘，返回它們的積。除法運算符除法運算符用于將第一個操作數(shù)除以第二個操作數(shù)，返回它們的商。邏輯運算符與運算(&)與運算結果為真，當且僅當所有操作數(shù)都為真。例如：A&B=真，僅當A和B都為真時?；蜻\算(or)或運算結果為真，當且僅當至少有一個操作數(shù)為真。例如：AorB=真，只要A或B其中之一為真即可。異或運算(xor)異或運算結果為真，當且僅當兩個操作數(shù)的值不同。例如：AxorB=真，當A和B的值不一致時。非運算(not)非運算結果為真，當且僅當操作數(shù)為假。例如：notA=真，當A為假時。關系運算符等于用于比較兩個操作數(shù)的值是否相等。如果相等，則返回真，否則返回假。不等于用于比較兩個操作數(shù)的值是否不相等。如果不相等，則返回真，否則返回假。大于用于比較兩個操作數(shù)的值的大小關系，如果第一個操作數(shù)大于第二個操作數(shù)，則返回真，否則返回假。小于用于比較兩個操作數(shù)的值的大小關系，如果第一個操作數(shù)小于第二個操作數(shù)，則返回真，否則返回假。位操作符位操作符示意圖位操作符用于對單個位進行操作。位操作符示例代碼示例代碼展示了位操作符的使用方法，例如位與、位或、位異或等。位操作符應用場景位操作符常用于數(shù)據(jù)壓縮、加密、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域。連接操作符連接操作符用于將多個信號或變量連接起來，形成一個新的信號或變量。操作符連接操作符用“&”表示。數(shù)據(jù)類型連接操作符的運算對象必須是相同數(shù)據(jù)類型的信號或變量。條件語句1條件語句根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同語句。2語法if條件表達式then語句1else語句2endif;3執(zhí)行流程條件表達式為真執(zhí)行語句1，否則執(zhí)行語句2。4示例ifa>bthenmax:=a;elsemax:=b;endif;循環(huán)語句循環(huán)次數(shù)已知使用FOR循環(huán)語句，用于執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)。循環(huán)次數(shù)未知使用WHILE循環(huán)語句，在滿足條件的情況下重復執(zhí)行代碼塊。循環(huán)控制使用EXIT語句，可提前退出循環(huán)，例如當滿足某個條件時。子程序定義與調用子程序是可重復使用的一段代碼，通過定義和調用來實現(xiàn)代碼模塊化和復用。參數(shù)傳遞子程序可以接收參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)進行不同的操作，實現(xiàn)靈活性和通用性。返回值子程序可以返回計算結果或狀態(tài)信息，為調用程序提供必要的數(shù)據(jù)。包(Package)1定義包是VHDL中用于定義數(shù)據(jù)類型、子程序、常量和其他共享組件的集合。2作用它們可以簡化代碼重用和模塊化設計，并提高代碼的可讀性和可維護性。3示例包可以包含用于特定類型信號或運算符的定義，例如定點算術或數(shù)字信號處理。4使用通過使用包，開發(fā)人員可以將常用功能封裝到一個單獨的單元，并在需要時引用它。配置(Configuration)配置定義配置用于指定實體和體系結構之間的關聯(lián)關系，并確定設計中使用的組件。配置允許使用不同的體系結構實現(xiàn)同一個實體，從而提供設計靈活性。配置語法配置由關鍵字configuration和for語句組成，指定要配置的實體。配置可以使用for語句指定要配置的特定體系結構。設計單元管理層次化管理VHDL代碼通常按層次結構組織，每個設計單元對應一個文件。此結構有助于提高代碼可讀性和可維護性。庫管理VHDL庫用于存儲和管理設計單元，包括預定義庫和用戶自定義庫。單元復用設計單元可以被重復使用，減少代碼冗余，提高設計效率。VHDL編碼風格命名規(guī)范變量、信號和常量等使用有意義的名稱。使用駝峰命名法（CamelCase）或下劃線命名法（snake_case）提高可讀性?？s進使用一致的縮進，通常每個縮進級別使用2或4個空格。縮進使代碼結構清晰，便于閱讀和理解。VHDL編程實例1本實例演示了使用VHDL語言設計一個簡單的加法器。加法器接收兩個輸入信號，并輸出它們的和。定義兩個輸入信號A和B，以及一個輸出信號SUM。使用加法運算符“+”計算兩個輸入信號的和。將計算結果賦值給輸出信號SUM。VHDL編程實例2計數(shù)器計數(shù)器是一種常見的數(shù)字電路，用于記錄脈沖的個數(shù)。VHDL可以用進程描述計數(shù)器，例如，使用時鐘信號觸發(fā)計數(shù)器。該實例展示了使用進程和時鐘信號實現(xiàn)一個簡單的計數(shù)器。VHDL編程實例3本例演示如何使用VHDL語言設計一個簡單的計數(shù)器。該計數(shù)器從0開始計數(shù)，每1秒鐘增加1，并在計數(shù)器達到99時重置為0。該實例展示了VHDL語言中的時序邏輯設計，以及如何使用循環(huán)語句來實現(xiàn)計數(shù)功能。通過學習本例，您將能夠更好地理解VHDL語言的語法和語義，并掌握一些基本的VHDL編程技巧。VHDL編程實例4本實例演示了一個簡單的計數(shù)器設計，使用VHDL語言實現(xiàn)一個3位二進制計數(shù)器。計數(shù)器從0開始計數(shù)，每當時鐘信號上升沿到來時，計數(shù)器加1。計數(shù)器的輸出是3個信號，分別代表計數(shù)器的個位、十位和百位。代碼中首先定義了一個名為counter的實體，它包含3個輸出信號，分別表示個位、十位和百位。然后定義了名為counter的體系結構，其中包含一個進程，該進程描述了計數(shù)器的邏輯功能。進程內部使用一個3位的變量來存儲