第四章图表 VHDL语言基础
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第四讲VHDL语言基础知识
关键词 VHDL 实体 逻辑功能
此两处必须同名
逻辑行为描述
1、实体
格式
ENTITY 实体名 IS [GENERIC ( 类属表 );] [PORT ( 端口表 );] END 实体名;
说明
实体说明所设计的逻辑电路的输入、输 出信号及其特性（输入(in)输出(out)、双向 (inout)、buffer）
•文件（FILES）是传输大量数据的客体，包含一些专门数据 类型的数值。
对象说明的一般格式是： <对象类型> < 标识符表>：<子类型说明> <信号种类>： =<表达式>; 说明 标识符 <子类型说明>是类型名或类型名加限制条件 <信号种类>为BUS或REGISTER，该项为任选项 ：=<表达式>为对象赋初值
IS
一个包集合由包集合标题和包集合体两 大部分组成。 包集合体是一个可选项。
5、库
格式
LIBRARY 库名； USE 库名. 程序包名. All；
USE语句的使用有两种常用格式： USE 库名.程序包名.项目名 ； USE 库名.程序包名.ALL ；
VHDL库的种类
• IEEE库：IEEE标准库, 是按IEEE组织制定的 工业标准进行编写的， 是内容丰富的资源库 使用需声明 • •STD_LOGIC_1164 程序包 •STD_LOGIC_ARITH 程序包 •STD_LOGIC_UNSIGNED 程序包
STD库：VHDL标准库，STANDARD和 TEXTIO程序包即收入在STD库中 使用无需声明
VHDL库的种类
• • •
ASIC库：EDA厂商提供库 使用需声明 WORK库：现行作业库，当前工作目录的所有设计 使用无需声明 USER库：用户自定义库 使用需声明
第四章 VHDL语言基础精品PPT课件
Sec.4.2. VHDL程序结构
1. VHDL程序结构 2. ⑴.实体说明（Entity declaration）
3. ⑵.结构体（Architecture body） 4. 定义与概念
5. ⑴.实体说明 6. ⑵.结构体
2.实体说明和结构体之间的关系
⑴.“包裹皮” 的概念
实体①
⑵.实体和结构体之间的关系
END Majority_vote; ARCHITECTURE examp1 OF Majority_vote IS
BEGIN Y＜＝(a and b)or (b and c）or (a and c）;
END examp1；
三.Signal（信号）及其并行性
定义：信号是电子电路内部硬件实体相互连接的信息表示。
表4-1.数字系统各层次划分及功能
层次名称 系统级（算法级）
寄存器传输级 （RTL级） 逻辑级（门级） 电路级
行为级描述
针对设计技术条 件、流程图、算 法进行系统级综 合
寄存器传输
逻辑函数、状态 方程 传输函数
各层次功能及结构
结构级描述
物理层表示的对象
处理器、控制器、存 集成电路芯片、印刷电路
储器、总线等
第四章 VHDL语言基础
VHDL语法和语句
本章任务
• 1.VHDL语言的基础知识，如何用VHDL语言描述数字系统。 • 2.VHDL程序结构,实体和结构体的概念。实体说明、结构体说明。结
构体的3种描述方法。 • 3.QuartusⅡ开发软件及应用。图形编辑方法；数字系统的VHDL文
本文件编辑方法。 • 4.一些基本的VHDL语法。 • 数组（Array）、 • 并行语句（Concurrent Statement）、 • 选择信号代入语句（Selected Signal Assignment Statement）、 • 并行信号赋值语句（Concurrent Signal Assignment
VHDL第四章
数位字符串的例 data1<= B”1_1101_1110” data2<=O”15” data3<=X”AD0” 二进制数数组，位矢数组的长度为9 八进制数数组，位矢数组的长度为6 十六进制数数组，位矢数组的长度为12
a_vect <= B”1100_0011_0011_1100” a_vect <= ”1100001100111100” a_vect <= X”C33C” a_vect <= X”C3_3C”
以段的方向进行赋值的例 SIGNAL a , z :BIT_VECTOR ( 0 TO 7 ); SIGNAL b SIGNAL c SIGNAL e SIGNAL d ………. z(0 TO 3 ) <= a (4 TO 7 ); z(4 TO 7) <= a( 0 TO 3); b(2)<= ‘1 ‘; b(3 DOWNTO 0) <=“1010” c( 0 TO 3) <= “0110”; c(2) <= d; c <= b; e <= c; e <= c (0 TO 3); e <=c(1 TO 4) Right Wrong! 双引号表示一维的 字符数组（字符串） 向量用双引号， 单个位用单引号 : STD_LOGIC_VECTOR ( 4 DOWNTO 0 ) ; : STD_LOGIC_VECTOR ( 0 TO 4 ) ; : STD_LOGIC_VECTOR ( 0 TO 3 ) ; : STD_LOGIC ;
……… SIGNAL a,b,c,y,z : INTEGER; ………. PROCESS ( a,b,c,) BEGIN y<= z*b; z<= c-x; y<= b; END PROCESS; ……………
vhdl第四章
4.1 VHDL语言的客体及其分 类
注意： 1.常数定义语句通常放在程序的开始； 2.常数定义语句所允许的设计单元有实体、结构 体、包集合、块、进程和子程序； 3.常数所赋值应与定义的数据类型一致； 4.在包集合中定义的常数可暂不赋值，它可以在 包体中设定。 5.常数的可视性，即常数的使用范围取决与它被 定义的位
4.1 VHDL语言的客体及其分 类
3. 信号(Signal) 注意： 1). 信号的赋值不是是立即有效的，且赋值时可以附加延时，但非必须； 2).信号的使用和定义范围是实体、构造体和包集合，不能在进程、函数和 子程序中定义； 3).信号是全局量，可以用来进行进程间的通信； 4).初始值不是必须的，综合器将略去所有初始值。因为实际芯片在上电后 并不能确保其初始状态的获取，初始值只在VHDL行为仿真中有效； 5). 信号可以有多个驱动源，但必须将此信号的数据类型定义为决断型数据 类型； 6).实体的端口是一种隐形的信号，信号可以看成是实体内部的端口。因此， 端口的定义实质上是作了隐式的信号定义，并附加了信号流动的方向。 7).信号赋值时给定的延时在综合器综合时将被略去。
第4章VHDL数据类型和运算操 作符
4.0 VHDL文字规则 4.1 VHDL语言的客体及其分类 4.2 VHDL语言的数据类型 4.3 VHDL语言的运算操作符
4.2 VHDL语言的数据类型
强类型语言的优点： 使VHDL编译或综合工具很容易地找出设计中的各种常见错误。 分类： 预定义数据类型（标准数据类型） 用户定义数据类型 1.标准数据类型 是VHDL最常用、最基本的数据类型，这些数据类型都已在VHDL标准的包 集合STANDARD和STD_LOGIC_1164及其它标准包集合中作了定义， 并可在设计中随时调用。 ⑴整数(Integer) 定义：与数学中的整数的定义相同，代表正整数、负整数和零。 范围：-2147483647~ +2147483647，即：-(231-1)~+(231-1) 实例：+16，+235，-23 SIGNAL bay :INTEGER RANGE 0 TO 15;
第4章VHDL语言基础
BEGIN 结构体描述部分;
END 结构体名;
4.1.3 结构体部分
结构体组成
结
构 体
说
明 结
构
体 结 构 体
功 能 描 述
常数说明 数据类型说明
信号说明 例化元件说明 子程序说明
块语句 进程语句 信号赋值语句 子程序调用语句 元件例化语句
结构体描述风格
行为描述 描述该设计单元的功能，主要使用函数、过程和进程语 句，以算法形式描述数据的变换和传送
例4-4
Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all; Use ieee.std_logic_unsigned.all; Use ieee.std_logic_arith.all;
行为描述
Entity eqcomp4 is Port (a,b: in std_logic_vector (3 downto 0); equals: out std_logic);
4.1.2 实体部分
实体(ENTITY)
实体是一个设计实体的表层设计单元，其功能是 对这个设计实体与外部电路进行接口描述。它规定了 设计单元的输入/输出接口信号或引脚，是设计实体 经封装后对外的一个通信界面。类似于原理图中的一 个部件符号。
4.1.2 实体部分
实体格式
ENTITY 实体名 IS
书写格式： GENERIC([常数名：数据类型[：设定值]
{；常数名：数据类型[:=设定值 ]})； 例4-1
GENERIC (cntwidth : integer:=4);
4.1.2 实体部分
PORT端口
用于定义模块所有的输入/输出信号，相当于定义一个 模块符号
END 结构体名;
4.1.3 结构体部分
结构体组成
结
构 体
说
明 结
构
体 结 构 体
功 能 描 述
常数说明 数据类型说明
信号说明 例化元件说明 子程序说明
块语句 进程语句 信号赋值语句 子程序调用语句 元件例化语句
结构体描述风格
行为描述 描述该设计单元的功能，主要使用函数、过程和进程语 句，以算法形式描述数据的变换和传送
例4-4
Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all; Use ieee.std_logic_unsigned.all; Use ieee.std_logic_arith.all;
行为描述
Entity eqcomp4 is Port (a,b: in std_logic_vector (3 downto 0); equals: out std_logic);
4.1.2 实体部分
实体(ENTITY)
实体是一个设计实体的表层设计单元，其功能是 对这个设计实体与外部电路进行接口描述。它规定了 设计单元的输入/输出接口信号或引脚，是设计实体 经封装后对外的一个通信界面。类似于原理图中的一 个部件符号。
4.1.2 实体部分
实体格式
ENTITY 实体名 IS
书写格式： GENERIC([常数名：数据类型[：设定值]
{；常数名：数据类型[:=设定值 ]})； 例4-1
GENERIC (cntwidth : integer:=4);
4.1.2 实体部分
PORT端口
用于定义模块所有的输入/输出信号，相当于定义一个 模块符号
EDA技术和VHDL设计第4章 VHDL语言要素.ppt
10#235#
(十进制数表示，等于235)
2#1110_1011#
(二进制数表示，等于235)
8#353#
(八进制数表示，等于235)
16#EB#
(十六进制数表示，等于235)
16#E#E1
(十六进制数表示，等于16#E0#，等于
2#11100000#，等于224)
16#F.01#E2
(十六进制数表示，等于16#F01#，等于3841.00)
Data_ _bus Copper_ _ Return tx_clk
--非法标识符，不能含有多个下划线 --非法标识符，不能以下划线结束 --非法标识符，关键字不能用作标识符 --合法标识符
11
第4章 VHDL语言要素 VHDL93标准还支持扩展标识符，以反斜杠来界定，免
去了87标准中基本标识符的一些限制，如：可以以数字打头， 允许包含图形符号，允许使用VHDL保留字，区分字母大小 写等。扩展标识符举例：\entity\、\2chip\、\EDA\、\eda\、 \aa\\bb\。但目前仍有较多VHDL工具不支持扩展标识符，所 以本书仍以87标准为准。由于VHDL语言不区分大小写，在 书写时一定要养成良好的书写习惯。一般而言，应用关键词 时应大写，自行定义的标识符应小写。
2
第4章 VHDL语言要素 其中，数字间的下划线仅仅是为了提高文字的可读性，相当 于一个空的间隔符，没有其他意义，也不影响文字本身的数 值。 (2) 实数(Real)。实数也是十进制的数，但必须带有小数 点。它类似于数学上的实数，或称浮点数，表示范围是 1.0E38～1.0E38。实数的表达方式举例： 0.0，123.45，6.0，78.99E - 2( = 0.7899)， 12_345.678_999(=12345.678999)
第4章 VHDL语言基础
4.2.4 操作符
与传统的程序设计语言一样，VHDL的各种表达式由操作数和操作 符组成。其中，操作数是各种运算的对象，而运算操作符则规定 运算的方式。VHDL中共有四类操作符：算术运算符、关系运算符、 逻辑运算符和符号运算符。 1．操作符的功能和使用操作数的数据类型 2．各种操作符的使用说明
4.1.4 库
在使用VHDL语言进行设计时，需要将别人或自己的设计成果汇集 在一个或几个库中，方便调用，以便提高设计效率。VHDL库就是 用于存放预定义好的数据类型、子程序等设计单元的集合体。 1．VHDL库 VHDL中的库大致可归纳为5种，分别为IEEE库、STD库、ASIC 矢量库、WORK库和用户定义库。
b:=3.0;
c:=d+e; 信号赋值语句的格式为： 信号名 <= 信号变量表达式；
例如，用户对信号“a”进行赋值，代码如下所示：
a<=b;
4.3.2 IF语句
句 Then 顺序语句
IF语句是一种条件语句，它根据语句中所设置的一种或多种条件，有选择地执行指定的顺序语 句，其语句的格式有三种，分别如下所示： //第一种IF语句结构
[实体说明部分]; END[ENTITY]<实体名>;
1．GENERIC类属说明语句 2．PORT端口说明
4.1.2 结构体
设计单元中的结构体主要用来描述设计的内部结构或逻辑功能。 在设计中,设计人员常常将一个设计实体比喻成一个盒子，实体说 明可以被看作是一个“黑盒子”。通过它，只能了解其输入和输 出，无法知道盒子的内容。而结构体描述盒子内部的详细内容。 在VHDL语言中，一个结构体的具体格式，如下所示： ARCHITECTURE<结构体名>OF<实体名>IS [结构体说明部分]; BEGIN <并行处理语句>;
第4章 VHDL语言基础
设计实体
结构体1
结构体2
结构体3
。 。 。
结构体n
FPGA-CPLD原理及应用
结构体的语法
第4章 VHDL语言基础
architecture 结构体名称 of 实体名称 is [说明语句] ；
begin [（功能描述）语句]；
end [architecture] 结构体名称；
注：同一实体的结构体不能同名。定义语句中的常 数、信号不能与实体中的端口同名。
equal: out std_logic ); end eqcomp4;
A[3..0] B[3..0]
equal
FPGA-CPLD原理及应用
端口声明
第4章 VHDL语言基础
确定输入、输出端口的数目和类型。
Port （端口名称{，端口名称}：端口模式
… 端口名称{，端口名称}：端口模式 ）；
数据类型； 数据类型
FPGA-CPLD原理及应用
VHDL组成
第4章 VHDL语言基础
库 包 实体
结构体
eqcomp4.vhd
--eqcomp4 is a four bit equality comparator
Library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all;
entity eqcomp4 is port(a, b:in std_logic_vector(3 downto 0);
FPGA-CPLD原理及应用
第4章 VHDL语言基础
计数器等效描述（out与buffer的区别）
FPGA-CPLD原理及应用
3、数据类型
第4章 VHDL语言基础
指端口上流动的数据表达格式，为预先定好的数据类型，如： bit、bit_vector、integer、std_logic、std_logic_vector 等。 例： entity m81 is port (a: in std_logic_vector(7 downto 0); sel: in std_logic_vector(2 downto 0); b:out bit ); end entity m81;
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4.6 VHDL语法 Port、Mode、Type
一、几种关键词的说明 1.Modes(模式): 2.数据类型 （Data Type）： 3.信号（ Signal ）：
1.Modes(模式): 4种工作Modes: ⑴.输入模式： ①.CLK, Enable, Load, Reset, CLR, Preset； ②.单方向数据输入，Address BUS,etc; ③.不用的输入端一般接地，以防止浮动引入干扰信号。
寄存器传输级 （RTL级） 逻辑级（门级） 电路级
寄存器传输
算术逻辑单元、 乘法器、寄存器 等
门、触发器 晶体管、连接线
逻辑函数、状态 方程 传输函数
3.VHDL程序结构的组成
程序结构由五部分组成： ⑴.实体（Entity）： 描述设汁系统的外部接口信号； ⑵.结构体（Architecture）：用于描述设汁系统的行为、 系统数据（信号）的流程、或系统组织的结构形式。 ⑶.配置（Configuration）：用于从库里选取所需单元（模块） 来组成系统设计的不同规格和不同版本， 使被设计系统的功能或行为改变。 ⑷.包集合（Package）：存放各种设计模块能共享的 数据类型、常数和子程序等。 ⑸.库（Library）：用于已存放已编译的实体、 结构体、包集合＆配置及第3方开发的元器件等。
图4.2.1. VHDL实体和结构体
2.VHDL的分层结构
表4.1.1.数字系统各层次划分及功能
各层次功能及结构 层次名称 系统级（算法级） 行为级描述
针对设计技术条 件、流程图、算 法进行系统级综 合
结构级描述
处理器、控制器、存 储器、总线等
物理层表示的对象
集成电路芯片、印刷电路 板（PCB）、多个模块的 连接 芯片、布图和布线、模块 结构图 单元电路、电路模块等 晶体管版图、连接线段、 节点等
②.单向data输出； ③.不用的输出端不能接地，以防止输出为高电平时烧坏 CPLD/FPGA的引脚。
图4.6.2 缓冲端口与输出端口的区别
⑶.缓冲模式（Buffer Mode）：
缓冲模式允许从端口引出信号，并且向CPLD引入一个反馈信号。 即缓冲端口可用于输出也可用于反馈。缓冲端口的驱动源可以 是：被设计实体的内部信号源或其它实体的缓冲端口。缓冲端 口不允许多重驱动，不与其它实体的双向端口、输出端口相连。
1.Port data type VHDL语言标准所定义的标准数据类型有10种。 ①.整数类型（INTEGER TYPE） ②.实数或浮点类型（REAL TYPE or FLOATING TYPE） ③.位类型（BIT TYPE） ④.位矢量类型（BIT_VECTOR TYPE） ⑤.布尔类型（BOOLEAN TYPE） ⑥.字符类型（CHARAVTER TYPE） ⑦.时间类型（TIME TYPE） ⑧.字符串类型（TRING TYPE） ⑨.自然数、整数类型（NATURAL TYPE） ⑩.错误类型（NOTE,WARNING,ERROR,FAILURE TYPE） 2.用户在电子系统设计时，自行定义的数据类型共8种。 ①.整数类型（INTEGER TYPE） ②.实数或浮点类型（REAL TYPE or FLOATING TYPE） ③.枚举类型（ENUMERATEI TYPE） ④.数组类型（ARRAY TYPE） ⑤.存取类型（ACCESS TYPE） ⑥.文件类型（FILE TYPE） ⑦.时间类型（TIME TYPE） ⑧.记录类型（RECODE TYPE） 这些数据类型在后面章节用到时将会介绍。
Buffer A B
≥1
X＜＝A or B
数据流描述方法
＆
C
y＜＝X and C Out
⑷.输入/输出模式（ Input/output mode ）： 双向模式
2.数据类型 （Data Type）：
VHDL中Type称为类型，它除了定义端口标识名称、端口定义外， 还要标明输出输入端口的数据类型。表示port、Signal或variable 的性质，决定对象可能有什么值。 用于VHDL语言中的IEEE1706/93标准规定， EDA综合工具 提供的数据类型有布尔型（Boolean）、位型（Bit）,位矢量型 （Bit－vector）和整数型（Integer）。 VHDL语言编写的程序是电子系统的行为描述、功能的说明和 结构的组织，使用规范化语言，有着很强的约束性。 不同的数据类型不能直接代入，相同的类型，位长不同也不能代入。 除了上述两种不同标准规定的数据类型以外， 数据类型根据使用目的分为： ⑴.用于EDA工具，对电子系统进行综合的数据类型。 如标量类型（SCALAR TYPE），复合类型（COMPOSITE TYPE）。 ⑵.用于EDA工具，对电子系统进行仿真的数据类型。 如存取类型（ACCESS TYPE）。
• • • • ①.IN ②.Out ③.IN/OUT ④.Buffer
• ⑵.Data type：
• • • • • • ①.Boolen ②.bit ③.bit_vector ④.integer ⑤.std_Logic ⑥. std_Logic_vector
3.结构体说明 结构体的语法格式：
ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 关键字 BEGIN ： ： END 结构体名 BEGIN和END结构体名组成结构体框架语句对， 从第2行开始用布尔表达式定义输入与输出之间的逻辑关系。
1位加法器
≥1
A B
Y
A B
≥1
≥1
Co
＆
≥1 ≥1
＆
y
CO C
C
（b）VHDL符号
（a）加法器逻辑电路
例4.3.1.
• --full_add.vhd • --full adder :adds two bits, a and b, plus input carry • --to yield sum bit and output carry.
• 以C语言为基础，充分保留了C语言的简洁、高效和编程风格。语法宽 松。
2.EDA技术的发展 ⑴ .Protell（Tonger）--印刷线路板（PCB）设计；
⑵. Simulation Software—multisim ＆ Max＋plusⅡ； ⑶.Design 、Compilation＆ Simulation 软件-QuartusⅡ ＆ISE
Behavior描述
Data Flow描述
结构体配置
CONFIGURATION定义
Sec4.3.实体和结构体
1.实体的组成及一般格式 ：
≥1
Co
A B C Y CO
A B C
≥1 ≥1
＆
≥1 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1
＆
y
（a）逻辑电路图 图4.3.1
（b）VHDL符号
一位数加法器逻辑电路和VHDL符号
实体的组成是由实体名、类属表、端口表、实体说明部分和实体 语句部分组成。 根据IEEE标准，实体组成的一般格式如下：
实体的书写格式
Entity 实体名 IS ［GENERIC （参数类属表）］ ［port（端口表）］ 实体端口说明部分 ； END（实体名 ）；
文本文件 文本文件
实体说明(描述)
结构体（描述） 功能定义 行为描述 数据流程 系统结构
图4.2.2 VHDL程序文件结构
例4.3.1.
图4.3.1 一位加法器逻辑电路
图4.3.2 例4.3.2逻辑电路图
• 例4.3.2.图 • 对下面的逻辑电路图4.3.2，写出用BIT类型定义端口的VHDL文件。
A B
＆
≥1
C D
＆
≥1
Y
解：电路的逻辑表达式Y= (（AB＋A’C’)＋D）’ 用VHDL描述成设计实体。 ENTITY logic_circuit IS PORT(a,b,c,d : IN BIT; y : OUT BIT); END logic_circuit; ARCHITECTURE examp1 OF logic_circuit IS BEGIN Y＜＝not((a and b)or ((not a) and（not c）)or d); END examp1；
Sec4.4.用QuartusⅡ开发数字系统 （附录A） Sec4.5.QuartusⅡ的开发流程
图4.4.1 QuartusⅡ的设计流程图
设计输入 设计编译 功能仿真 时序仿真 硬件配置与验证
图4.5.1 QuartusⅡ启动窗口
图4.5.2建立工程项目名称及顶层实体名
工程文件夹 工程名程
顶层实体名
4.结构体的描述方法 • 1.行为描述法： （ behavioral description）这是以元 器件或电路模块为基础的描述方法，描述元器件或电路模 块之间输入、输出的逻辑关系，是对它们性能或行为的描 述。在VHDL语言中对这一类的描述称作行为描述。 • 2.数据流描述法：数据流描述（dataflow description） 法主要反映数据经过一定的逻辑运算后在输入和输出之间 的传送过程。这种描述方法以表示数据在设计实体中从输 入到输出的传输或流向为目的。使用并发语句 （concurrent procedure call也叫并发过程调用语句） 描述。 • 3.结构描述法：（structural description）描述结构 体功能的第3种方法是结构描述法，它以描述元部件 （component）为基础，通过描述模块与模块之间的连接 关系来表示被设计实体的构成和性能。这种描述方法适用 于多层次设计，把一个复杂的系统分解成多个子系统，将 每一个子系统设计成一个模块，再用结构描述法将各模块 之间的连接关系写出来形成一个整体。
图4.5.3 新建VHDL 文件对话框
图4.5.4 VHDL文本编辑窗口输入代码
扦入模板
图4.5.5 引脚分配编辑器窗口