《VHDL詞法基礎(chǔ)》課件

VHDL詞法基礎(chǔ)本課程將介紹VHDL語言的基本語法和詞法規(guī)則。學(xué)習(xí)VHDL語言是硬件描述語言的基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)數(shù)字電路設(shè)計的必要步驟。VHDL基礎(chǔ)概述硬件描述語言VHDL是一種硬件描述語言，用于描述和設(shè)計電子電路。行為建模VHDL可以模擬電路的行為，例如信號傳輸和邏輯運(yùn)算。結(jié)構(gòu)建模VHDL可以描述電路的結(jié)構(gòu)，例如電路的連接方式和組件。VHDL語法特點(diǎn)介紹強(qiáng)類型語言VHDL是一種強(qiáng)類型語言，每個變量和信號都必須指定數(shù)據(jù)類型。這有助于提高代碼的可讀性和可靠性，避免類型錯誤。硬件描述語言VHDL專門為描述硬件電路而設(shè)計，它提供了豐富的語法結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型來表示各種硬件組件和行為。并發(fā)性VHDL支持并發(fā)執(zhí)行，多個語句可以同時執(zhí)行，這反映了硬件電路中多個組件同時工作的特性。層次化結(jié)構(gòu)VHDL支持層次化設(shè)計，可以使用模塊化的方式描述復(fù)雜電路，提高代碼的可維護(hù)性和復(fù)用性。VHDL標(biāo)識符規(guī)則11.標(biāo)識符定義標(biāo)識符是用于識別VHDL程序中的實體、信號、變量等元素的名稱。22.標(biāo)識符規(guī)則標(biāo)識符必須以字母或下劃線開頭，可包含字母、數(shù)字和下劃線，區(qū)分大小寫。33.標(biāo)識符長度VHDL標(biāo)識符長度沒有限制，但建議保持簡短并具有描述性。44.標(biāo)識符命名遵循駝峰命名法或下劃線分割命名法，提高代碼可讀性。VHDL關(guān)鍵字列表保留字VHDL語言中，某些詞語被保留，不能作為標(biāo)識符使用。關(guān)鍵字關(guān)鍵字用于定義VHDL代碼的語法結(jié)構(gòu)。預(yù)定義標(biāo)識符預(yù)定義標(biāo)識符代表VHDL中預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型、函數(shù)和常量。VHDL數(shù)據(jù)類型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型VHDL定義了若干個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，例如整數(shù)類型、實數(shù)類型、布爾類型等。用戶自定義數(shù)據(jù)類型用戶可以通過枚舉類型、數(shù)組類型和記錄類型等定義新的數(shù)據(jù)類型，以滿足特定應(yīng)用的需求。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換VHDL提供了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換功能，允許在不同數(shù)據(jù)類型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型整型整型是指表示整數(shù)的數(shù)據(jù)類型，常見的有：INTEGER、自然數(shù)、位向量等。實數(shù)型實數(shù)型是指表示小數(shù)的數(shù)據(jù)類型，如REAL和TIME。位向量和邏輯向量位向量表示一組二進(jìn)制位用方括號和索引表示，例如：bit_vector[7downto0]邏輯向量用于表示布爾值例如：std_logic_vector[3downto0]位向量和邏輯向量是VHDL中的重要數(shù)據(jù)類型廣泛應(yīng)用于硬件設(shè)計中，例如：存儲器、寄存器、組合邏輯電路時間類型時間類型VHDL時間類型用于表示仿真時間，用于模擬電路的行為和時序。時間刻度VHDL時間刻度由時間單位和時間值組成，例如，10ns表示10納秒。時間精度VHDL時間精度決定了仿真時間計算的精度，精度越高，仿真結(jié)果越精確，但仿真時間也越長。VHDL常量定義定義常量在VHDL中，常量定義用于在程序中使用固定不變的值。使用關(guān)鍵詞CONSTANT來聲明常量。數(shù)據(jù)類型常量必須指定數(shù)據(jù)類型，例如整數(shù)、實數(shù)、位向量等。賦值常量需要賦值，賦值過程在聲明常量時完成，并使用賦值運(yùn)算符“:=”。命名規(guī)則常量名稱需符合VHDL標(biāo)識符命名規(guī)則，通常使用大寫字母表示常量名稱。VHDL變量聲明1變量類型變量聲明指定變量的數(shù)據(jù)類型。例如，INTEGER、REAL、STD_LOGIC。2變量名變量名必須符合VHDL標(biāo)識符規(guī)則，并應(yīng)具有描述性。3初始化可選地，可在變量聲明時進(jìn)行初始化，為變量賦予初始值。VHDL信號聲明11.信號名信號名用標(biāo)識符表示，用于唯一標(biāo)識信號。22.數(shù)據(jù)類型信號的數(shù)據(jù)類型決定其存儲的值。33.初始化值信號聲明時可以賦予初始值，用于確定其初始狀態(tài)。44.信號賦值通過賦值語句給信號賦予新的值，改變其狀態(tài)。VHDL信號賦值信號賦值語句將值賦給信號，改變信號值。賦值操作符使用"<="符號，將值賦給信號。賦值時間信號賦值可以是立即賦值或延時賦值。延遲賦值使用"after"關(guān)鍵字指定延遲時間。驅(qū)動強(qiáng)度使用"strength"關(guān)鍵字指定信號的驅(qū)動強(qiáng)度。組合邏輯電路建模1定義組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前輸入信號，與電路之前狀態(tài)無關(guān)2描述方法使用布爾表達(dá)式或真值表描述電路行為3VHDL實現(xiàn)使用VHDL語言建模組合邏輯電路組合邏輯電路廣泛用于數(shù)字系統(tǒng)中，例如加法器、解碼器、多路選擇器等組合邏輯單元邏輯門組合邏輯電路的基本單元，實現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算。組合電路由邏輯門組成的電路，輸出只取決于當(dāng)前輸入。真值表描述組合邏輯電路行為，列出所有可能的輸入組合及對應(yīng)輸出。組合邏輯電路建模方法1行為級建模描述電路功能2結(jié)構(gòu)級建模描述電路結(jié)構(gòu)3數(shù)據(jù)流級建模描述數(shù)據(jù)流動VHDL提供了多種建模方法，可以根據(jù)實際需求選擇合適的建模方法。行為級建模側(cè)重于描述電路的功能，無需關(guān)注具體的電路結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)級建模則描述電路的結(jié)構(gòu)，如門級電路、模塊之間的連接關(guān)系等。數(shù)據(jù)流級建模則描述數(shù)據(jù)在電路中的流動過程，使用邏輯運(yùn)算符和操作符來描述電路的功能。時序邏輯電路建模1時序邏輯單元時序邏輯電路包含記憶元件，例如觸發(fā)器，它們可以保存狀態(tài)信息。2建模方法建模方法包括行為描述、結(jié)構(gòu)描述、數(shù)據(jù)流描述等，選擇適當(dāng)?shù)姆椒梢蕴岣叽a的可讀性和效率。3時序邏輯建模時序邏輯電路建模的關(guān)鍵是描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換、輸入輸出關(guān)系和時鐘信號。時序邏輯單元觸發(fā)器觸發(fā)器是時序邏輯電路的基本單元。它可以存儲一位二進(jìn)制信息。D觸發(fā)器D觸發(fā)器在時鐘信號的上升沿或下降沿將數(shù)據(jù)輸入復(fù)制到輸出，并保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)直到下一個時鐘信號到來。JK觸發(fā)器JK觸發(fā)器在時鐘信號的上升沿或下降沿根據(jù)輸入的J和K信號狀態(tài)改變輸出，具有更高的靈活性。T觸發(fā)器T觸發(fā)器在時鐘信號的上升沿或下降沿根據(jù)輸入的T信號狀態(tài)改變輸出，可以用于計數(shù)器或其他時序邏輯電路。時序邏輯電路建模方法1行為描述描述電路的行為特性2結(jié)構(gòu)描述描述電路的結(jié)構(gòu)3數(shù)據(jù)流描述描述數(shù)據(jù)在電路中的流動時序邏輯電路建模方法主要包括行為描述、結(jié)構(gòu)描述和數(shù)據(jù)流描述。行為描述關(guān)注電路的功能，結(jié)構(gòu)描述關(guān)注電路的組成，而數(shù)據(jù)流描述關(guān)注數(shù)據(jù)在電路中的流動路徑。過程語句1過程語句的定義過程語句是一種VHDL語言中的重要語法結(jié)構(gòu)，用于描述電路的行為和功能。2過程語句的作用過程語句使用敏感信號列表和信號賦值語句來實現(xiàn)電路邏輯功能，并對信號的變化進(jìn)行處理。3過程語句的種類VHDL語言中有多種類型的過程語句，包括順序語句和并行語句，用于實現(xiàn)不同的電路邏輯。if-then-else語法結(jié)構(gòu)if-then-else語句用于根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同的代碼塊。if語句后跟一個布爾表達(dá)式，如果表達(dá)式為真，則執(zhí)行then塊中的代碼；否則執(zhí)行else塊中的代碼。應(yīng)用場景if-then-else語句廣泛應(yīng)用于VHDL語言中，用于實現(xiàn)邏輯判斷和條件分支。例如，在設(shè)計數(shù)字電路時，可以使用if-then-else語句實現(xiàn)信號的條件切換，根據(jù)輸入信號的不同狀態(tài)選擇不同的輸出。VHDLcase語句語法格式case語句根據(jù)表達(dá)式值選擇執(zhí)行不同的代碼分支，提高代碼清晰度和可讀性。條件分支每個分支包含一個條件表達(dá)式和相應(yīng)的代碼塊，根據(jù)表達(dá)式的值選擇執(zhí)行相應(yīng)的代碼。默認(rèn)分支當(dāng)表達(dá)式值不匹配任何分支時，執(zhí)行默認(rèn)分支，提供代碼邏輯的完整性。應(yīng)用場景在狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)、多路選擇器、邏輯判斷等場景中使用，簡化代碼邏輯。VHDL循環(huán)語句循環(huán)語句語法循環(huán)語句允許代碼塊重復(fù)執(zhí)行特定次數(shù)或直到滿足某個條件。循環(huán)計數(shù)器循環(huán)語句可使用計數(shù)器變量控制循環(huán)次數(shù)，例如，for循環(huán)用于指定循環(huán)次數(shù)。循環(huán)條件循環(huán)語句可以根據(jù)條件執(zhí)行，例如，while循環(huán)用于在條件為真時執(zhí)行循環(huán)體。VHDL子程序1子程序定義定義子程序的名稱、參數(shù)和功能。2子程序體包含子程序執(zhí)行的代碼。3子程序調(diào)用在需要的地方調(diào)用子程序執(zhí)行其功能。VHDL子程序是可重用的代碼塊，用于執(zhí)行特定功能。子程序定義包括名稱、參數(shù)和功能描述。子程序體包含實際的代碼實現(xiàn)，可以包含多個語句和操作。VHDL子程序聲明11.子程序名稱子程序名稱應(yīng)遵循VHDL標(biāo)識符規(guī)則，并應(yīng)能清晰地反映子程序的功能。22.參數(shù)列表子程序可以接受輸入?yún)?shù)，并返回輸出參數(shù)，參數(shù)列表應(yīng)包含參數(shù)的類型和方向。33.子程序體子程序體包含子程序執(zhí)行的代碼，代碼應(yīng)實現(xiàn)子程序的功能，并返回結(jié)果。44.返回類型子程序可以返回一個值，返回類型應(yīng)與子程序的功能和結(jié)果相匹配。子程序調(diào)用語法格式子程序調(diào)用語句使用子程序名，并傳遞必要的參數(shù)。參數(shù)傳遞參數(shù)傳遞方式可以是值傳遞或引用傳遞，取決于子程序的定義。調(diào)用過程調(diào)用子程序時，程序控制流會跳轉(zhuǎn)到子程序，執(zhí)行完子程序后返回調(diào)用點(diǎn)。VHDL軟硬件接口外部設(shè)備接口VHDL可用于描述與外部設(shè)備的交互，例如傳感器、執(zhí)行器和通信接口。通過定義特定接口協(xié)議，VHDL代碼可以控制外部設(shè)備的操作。系統(tǒng)集成VHDL允許將硬件設(shè)計與軟件系統(tǒng)集成，實現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)。通過定義硬件和軟件之間的通信協(xié)議，VHDL可以協(xié)調(diào)兩者之間的協(xié)同工作。VHDL電路仿真驗證設(shè)計通過仿真，可以驗證電路的功能是否符合設(shè)計要求，并找出潛在的錯誤和問題。性能評估仿真可以幫助評估電路的性能指標(biāo)，如速度、功耗、延時等。優(yōu)化電路根據(jù)仿真結(jié)果，可以對電路進(jìn)行優(yōu)化，以提高性能和效率。調(diào)試錯誤仿真可以幫助快速定位和解決電路設(shè)計中的錯誤，提高開發(fā)效率。電路行為建模行為描述使用VHDL語言描述電路的行為，而不關(guān)心電路的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。功能模擬通過仿真工具模擬電路的行為，驗證電路的功能是否符合設(shè)計要求。抽象層次高行為建模更關(guān)注電路的功能，而不是具體的硬件實現(xiàn)。靈活性高易于修改和調(diào)整電路的行為，提高電路設(shè)計的效率。電路結(jié)構(gòu)建模1結(jié)構(gòu)建模概述結(jié)構(gòu)建模是VHDL語言的核心功能之一，它用于描述電路的連接關(guān)系。2結(jié)構(gòu)建模方法結(jié)構(gòu)建模使用“實例化”語句將已定義的電路模塊組合在一起，形成更復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。3結(jié)構(gòu)建模應(yīng)用結(jié)構(gòu)建模常用于構(gòu)建復(fù)雜電路，例如微處理器、存儲器和外設(shè)接口等。電路轉(zhuǎn)換1行為描述轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)描述2結(jié)構(gòu)描述轉(zhuǎn)換為行為描述3代碼轉(zhuǎn)換語言之間的轉(zhuǎn)換4邏輯轉(zhuǎn)換組合邏輯到時序邏輯VHDL代碼可以進(jìn)行多種轉(zhuǎn)換，包括行為描述與結(jié)構(gòu)描述之間的轉(zhuǎn)換，代碼語言之間的轉(zhuǎn)換，以及邏輯類型的轉(zhuǎn)換。VHDL綜合與優(yōu)化綜合過程VHDL代碼轉(zhuǎn)換成硬件描述語言，生成可實現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。綜合工具將VHDL代碼映射到特定的目標(biāo)器件，生成電路網(wǎng)表。優(yōu)化策略通過代碼重構(gòu)、算法優(yōu)化，提高硬件電路的效率，降低成本。利用邏輯優(yōu)化算法，簡化電路結(jié)構(gòu)，減少芯片面積和功耗。VHDL版本演進(jìn)VHDL-87VHDL-87是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076-1987版本，是早期VHDL版本。VHDL-93VHDL-93是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076-1993版本，包含了許多新增功能和改進(jìn)，如并發(fā)語句、包、通用類型等。VHDL-2000VHDL-2000是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076-2000版本，它進(jìn)一步擴(kuò)展了VHDL的功能和語法，加入了新的數(shù)據(jù)類型、庫和工具。VHDL-2008VHDL-2008是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076-2008版本，它添加了支持更復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的特性，如面向?qū)ο缶幊毯筒l(fā)進(jìn)程。VHDL應(yīng)用案例賞析VHDL語言廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域，從簡單的邏輯門電路到復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，VHDL都可以勝任。在數(shù)字電路設(shè)計中，VHDL可用于描述電路的功能、結(jié)構(gòu)、行為等，并通過仿真工具進(jìn)行驗證和調(diào)試，最終生成可用于制造芯片的硬件描述語