vhdl設(shè)計初步(新模版)課件

VHDL設(shè)計初步本課程將介紹VHDL的基本語法，并帶領(lǐng)大家進(jìn)行簡單的設(shè)計練習(xí)。byVHDL簡介硬件描述語言VHDL是一種用于描述電子硬件的語言，用于設(shè)計和驗證數(shù)字電路。可讀性強VHDL語法類似于自然語言，便于理解和編寫代碼?？梢浦残院肰HDL語言獨立于硬件平臺，可用于不同的芯片制造商和技術(shù)。VHDL語言結(jié)構(gòu)實體用于描述硬件模塊的外部接口和行為。架構(gòu)體用于描述硬件模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式。信號用于在硬件模塊之間傳遞數(shù)據(jù)。VHDL基本模型行為模型描述電路的功能，不關(guān)注具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。使用過程語句和信號賦值來描述電路行為。例如，使用“if-then-else”語句來描述一個加法器的行為。結(jié)構(gòu)模型描述電路的結(jié)構(gòu)，通過連接不同的基本電路模塊來構(gòu)建復(fù)雜電路。使用實例化語句來創(chuàng)建電路模塊的實例，并使用信號連接不同模塊的端口。數(shù)據(jù)流模型描述電路中數(shù)據(jù)流的流動，使用賦值語句和算術(shù)運算符來描述數(shù)據(jù)在電路中的處理方式。每個賦值語句表示一個數(shù)據(jù)流，例如，一個賦值語句可以描述一個加法器的輸入和輸出之間的數(shù)據(jù)流。實體ENTITY定義1定義實體是VHDL中用來描述硬件模塊的基本單元。它類似于硬件設(shè)計中的一個黑盒子，只描述模塊的外部接口，而不涉及內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)。2語法實體定義使用ENTITY關(guān)鍵字，后跟實體名稱和端口定義。端口定義用于描述模塊的輸入和輸出信號。3實例化實體可以通過實例化語句在其他模塊中使用，將實體實例化成一個具體的硬件模塊。端口PORT定義1方向輸入(IN)或輸出(OUT)2數(shù)據(jù)類型例如：STD_LOGIC,BIT,INTEGER3名稱用于標(biāo)識端口架構(gòu)ARCHITECTURE定義1描述硬件行為2定義實體內(nèi)部結(jié)構(gòu)3實現(xiàn)功能邏輯數(shù)據(jù)類型與運算符數(shù)據(jù)類型VHDL支持多種數(shù)據(jù)類型，包括：位類型(BIT)標(biāo)準(zhǔn)邏輯類型(STD_LOGIC)整型(INTEGER)實型(REAL)枚舉類型(ENUMERATION)運算符VHDL提供各種運算符，用于執(zhí)行算術(shù)、邏輯、關(guān)系和位操作，例如：算術(shù)運算符:+,-,*,/,MOD,**邏輯運算符:AND,OR,XOR,NOT關(guān)系運算符:=,/=,<,>,<=,>=位運算符:AND,OR,XOR,NOT,&常量與變量1常量在整個程序執(zhí)行過程中保持不變的值。使用關(guān)鍵字CONST定義。常量可以在設(shè)計中被多次使用，從而提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。2變量在程序執(zhí)行過程中可以改變的值。使用關(guān)鍵字SIGNAL或VARIABLE定義。變量是存儲數(shù)據(jù)的容器，可以在程序中被修改。它們是設(shè)計中不可或缺的一部分。過程語句順序執(zhí)行過程語句按照順序執(zhí)行，類似于編程語言中的函數(shù)或方法。敏感信號列表過程語句包含一個敏感信號列表，當(dāng)列表中任何信號發(fā)生變化時，過程語句將被執(zhí)行。并行執(zhí)行過程語句可以在硬件中并行執(zhí)行，多個過程語句可以同時運行，從而實現(xiàn)并行處理。條件語句1IF語句根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同的代碼2CASE語句根據(jù)條件選擇執(zhí)行不同的代碼3WHEN語句匹配特定條件執(zhí)行代碼循環(huán)語句1for循環(huán)用于重復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到滿足條件為止。2while循環(huán)在條件滿足的情況下，重復(fù)執(zhí)行一段代碼。3loop循環(huán)無限循環(huán)，直到遇到退出循環(huán)的語句。軟件仿真功能驗證在實際硬件實現(xiàn)之前，可以使用軟件仿真來驗證設(shè)計的功能是否正確。調(diào)試錯誤在軟件仿真中，可以方便地調(diào)試代碼，找出設(shè)計中的邏輯錯誤。優(yōu)化性能通過仿真，可以評估設(shè)計的性能，例如速度和資源利用率。硬件建模行為描述描述電路的功能，而不關(guān)心電路的具體實現(xiàn)方式。結(jié)構(gòu)描述描述電路的結(jié)構(gòu)，包括各個器件的連接方式。數(shù)據(jù)流描述描述數(shù)據(jù)在電路中的流動方式，以及各個器件對數(shù)據(jù)的處理方式。時序建模上升沿觸發(fā)在時鐘信號上升沿時，電路狀態(tài)發(fā)生變化。下降沿觸發(fā)在時鐘信號下降沿時，電路狀態(tài)發(fā)生變化。時鐘信號寬度時鐘信號的脈沖寬度影響電路的時序行為。組合邏輯電路設(shè)計基本概念組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前的輸入，不依賴于之前的狀態(tài)。常用結(jié)構(gòu)常見的組合邏輯電路結(jié)構(gòu)包括編碼器、譯碼器、多路選擇器、比較器等。設(shè)計方法設(shè)計組合邏輯電路通常使用真值表、卡諾圖或布爾表達(dá)式進(jìn)行邏輯實現(xiàn)。實例例如，使用VHDL語言實現(xiàn)一個簡單的2-to-4譯碼器。時序邏輯電路設(shè)計1觸發(fā)器基本存儲單元2計數(shù)器計數(shù)脈沖3移位寄存器數(shù)據(jù)位移狀態(tài)機設(shè)計1狀態(tài)描述系統(tǒng)不同行為的階段2事件觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件3動作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時執(zhí)行的操作存儲電路設(shè)計1寄存器最基本的存儲單元，用于存儲單個數(shù)據(jù)位或字。例如：D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器。2RAM隨機存取存儲器，可隨機訪問任何存儲位置。主要分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。3ROM只讀存儲器，存儲的數(shù)據(jù)在制造時被寫入，無法修改。用于存放程序代碼、常量數(shù)據(jù)等。4FIFO先進(jìn)先出隊列，數(shù)據(jù)按先進(jìn)先出的順序進(jìn)行存儲和讀取。設(shè)計綜合1邏輯優(yōu)化將設(shè)計轉(zhuǎn)化為可實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)。2技術(shù)映射將邏輯結(jié)構(gòu)映射到目標(biāo)器件的庫單元。3時序優(yōu)化優(yōu)化時序性能，確保設(shè)計滿足時序要求。綜合報告分析綜合報告分析綜合報告以了解設(shè)計是否符合預(yù)期，并識別潛在問題。時序分析檢查時序路徑、關(guān)鍵路徑和時序裕量，確保設(shè)計滿足時序要求。資源利用評估邏輯門、寄存器、RAM和其他資源的使用情況，優(yōu)化資源分配。管腳分配1引腳定義確定每個引腳的功能，例如輸入、輸出、電源、接地等。2分配原則根據(jù)設(shè)計需求，將引腳分配給不同的信號和功能。3信號分配將輸入信號分配到輸入引腳，將輸出信號分配到輸出引腳。4電源接地將電源引腳連接到電源，將接地引腳連接到接地。IO標(biāo)準(zhǔn)選擇速度選擇合適的IO標(biāo)準(zhǔn)可以提高速度和性能。信號完整性IO標(biāo)準(zhǔn)會影響信號的完整性和抗干擾能力。功耗不同的IO標(biāo)準(zhǔn)會消耗不同的能量。成本不同的IO標(biāo)準(zhǔn)價格會有所不同。時序分析時鐘周期時鐘周期是時鐘信號從一個上升沿到下一個上升沿的時間間隔。建立時間建立時間是指在時鐘信號上升沿到來之前，數(shù)據(jù)信號必須保持穩(wěn)定的最小時間間隔。保持時間保持時間是指在時鐘信號上升沿到來之后，數(shù)據(jù)信號必須保持穩(wěn)定的最小時間間隔。靜態(tài)時序約束設(shè)置時鐘定義時鐘信號的周期、相位和占空比等參數(shù)，為時序分析提供基本信息。指定延遲設(shè)定信號在不同路徑上的延遲，包括組合邏輯路徑和時序路徑的延遲。設(shè)置約束定義時序指標(biāo)，例如建立時間、保持時間、最大延遲等，確保電路滿足時序要求。動態(tài)時序約束動態(tài)時序約束動態(tài)時序約束是指在設(shè)計中根據(jù)實際情況調(diào)整時序約束。這些約束可以隨設(shè)計變化而調(diào)整，以確保在不同條件下都能滿足時序要求。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是動態(tài)時序約束的一種應(yīng)用，通過改變電路的電壓來控制電路的性能，從而優(yōu)化功耗和性能的平衡。時鐘門控時鐘門控是一種常見的動態(tài)時序約束技術(shù)，通過關(guān)閉不必要的時鐘信號來減少功耗，并提高性能。設(shè)計調(diào)試仿真測試使用仿真工具驗證設(shè)計行為，發(fā)現(xiàn)并修復(fù)邏輯錯誤。硬件測試在實際硬件平臺上進(jìn)行測試，驗證設(shè)計功能和性能。調(diào)試工具使用邏輯分析儀、示波器等工具觀察信號波形，定位問題。版本管理跟蹤代碼變更版本控制系統(tǒng)可以記錄所有代碼變更，方便追蹤問題和恢復(fù)舊版本。團(tuán)隊協(xié)作多人協(xié)作開發(fā)時，版本控制系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)代碼修改，避免沖突。代碼備份版本控制系統(tǒng)提供代碼備份功能，防止意外數(shù)據(jù)丟失。設(shè)計文檔設(shè)計規(guī)范詳細(xì)說明設(shè)計原理，架構(gòu)，功能，接口，性能，測試用例等等代碼注釋清晰易懂，便于閱讀和維護(hù)設(shè)計流程記錄設(shè)計步驟，版本迭代，問題解決等等設(shè)計流程總結(jié)設(shè)計軟件選擇合適的電子電路設(shè)計軟件，例如AlteraQuartusII、XilinxVivado、ModelSim等，