第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
HDL设计第一章(共43张)
第24页，共43页。
第1章 概 述
EDA设计的流程
设计输入（Design Entry）
1. 原理图输入(shūrù)(Schematic diagrams )
2、硬件描述语言 (HDL文本输入)
（1）ABEL-HDL （2）AHDL
（3）VHDL
（4）Verilog HDL
IEEE标准
硬件描述语言与软件编程语言（C、PASCAL 等）的区别??
)。 Design Automation，电子系统设计自动化
第6页，共43页。
第1章 概 述
它代表了当今电子设计技术的最新发展方向，设计人员按照“自 顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的 关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现，然后采用硬件描述 语言(HDL)完成(wán chéng)系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生 成最终的目标器件。
1.2.2 为什么要用HDL
1设计复杂性
目前电子设计的规模(guīmó)越来越大，复杂度越来越高，为使 如此复杂的芯片变得易于被人脑理解，很有必要用一种高级语言 来表达其功能，隐藏其具体实现的细节。在芯片设计中不得不使 用硬件描述语言，而具体实现交由逻辑综合工具完成。
第15页，共43页。
hdl的课程设计
hdl的课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握hdl（假设为高级编程语言）的基本语法和结构，能够正确编写简单的程序。
2. 使学生了解hdl在工程领域的应用，理解其重要性和实用价值。
3. 帮助学生掌握hdl编程中的常见错误类型及其解决办法。
技能目标：1. 培养学生运用hdl进行程序设计的能力，能够独立完成指定任务。
2. 培养学生运用调试工具，对程序进行调试和优化的能力。
3. 培养学生通过查阅资料，解决编程过程中遇到的问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对编程的兴趣，培养其主动学习和探究的精神。
2. 培养学生团队协作意识，使其学会与他人共同解决问题。
3. 培养学生严谨、认真的学习态度，使其认识到编程在工程领域的重要作用。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，结合理论知识与实际操作，使学生能够在实践中掌握hdl编程技能。
学生特点：学生处于高年级阶段，具备一定的编程基础和自学能力，但个体差异较大。
教学要求：结合学生特点，采用分层教学，注重个体差异，提高学生的实践操作能力和解决问题的能力。
在教学过程中，注重引导学生主动探究，培养学生的创新意识。
通过课程学习，使学生能够达到课程目标所要求的具体学习成果。
二、教学内容1. hdl基本概念与语法：包括hdl的数据类型、运算符、控制结构等基本知识，参照教材第一章内容。
2. hdl程序结构设计：学习如何构建模块化的程序结构，理解层次化设计方法，参考教材第二章。
- 任务分解与模块设计- 参数传递与信号连接3. hdl编程实践：通过实例分析，让学生动手编写简单的hdl程序，涵盖教材第三章内容。
- 基础程序设计：如计数器、序列检测器等- 简单算法实现：如排序、查找等4. hdl程序调试与优化：教授学生如何使用调试工具，分析程序中的错误，并进行优化，参照教材第四章。
- 常见错误类型与分析方法- 调试工具的使用技巧- 程序优化策略5. hdl应用案例分析：通过实际工程项目案例分析，让学生了解hdl的应用领域，参考教材第五章。
太原理工大学：第1章 硬件描述语言VHDL
第1章硬件描述语言VHDL数字系统设计分为硬件设计和软件设计, 但是随着计算机技术、超大规模集成电路（CPLD、FPGA）的发展和硬件描述语言（HDL, Hardware Description Language）的出现，软、硬件设计之间的界限被打破，数字系统的硬件设计可以完全用软件来实现，只要掌握了HDL语言就可以设计出各种各样的数字逻辑电路。
1.1老的硬件设计方法老的硬件设计方法有如下几个特征：（1）采用自下而上的设计方法使用该方法进行硬件设计是从选择具体元器件开始，并用这些元器件进行逻辑电路设计，从而完成系统的硬件设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计，（2）采用通用逻辑元器件通常采用74系列和CMOS4000系列的产品进行设计（3）在系统硬件设计的后期进行调试和仿真只有在部分或全部硬件电路连接完毕，才可以进行电路调试，一旦考虑不周到，系统设计存在较大缺陷，则要重新设计，使设计周期延长。
（4）设计结果是一张电路图当设计调试完毕后，形成电原理图，该图包括元器件型号和信号之间的互连关系等等。
老的硬件设计方法已经使用了几十年，是广大电子工程师熟悉和掌握的一种方法，但是现在这种方法老了，不仅方法老了，就连使用的元器件也老了。
1.2使用HTL的硬件设计方法所谓硬件描述语言，就是利用一种人和计算机都能识别的语言来描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，它可以比电原理图更能表示硬件电路的特性。
该方法有如下特征：（1）支持自顶向下的设计方法所谓自顶向下的设计方法就是从系统的总体要求出发，自顶向下分三个层次对系统硬件进行设计。
第一个层次是行为描述，所谓行为描述，实际就是对整个系统的数学模型的描述，在行为描述阶段，并不真正考虑其实际操作和算法怎么实现，而是考虑系统的结构和工作过程是否能达到系统设计规格书的要求。
第二个层次是数据流描述，又称为寄存器描述或RTL方式描述，该描述比行为描述更注重硬件的具体实现，通过该描述可以导出系统的逻辑表达式，为逻辑综合作准备，当然进行逻辑综合和逻辑综合工具的能力有关，当然设计人员还必须了解逻辑综合工具的说明和规定，第三个层次为逻辑综合。
计算机系统设计硬件描述语言与逻辑设计
计算机系统设计硬件描述语言与逻辑设计计算机系统设计是指通过软件和硬件的相互配合来实现计算机系统的构建和功能。
在这个过程中，硬件描述语言（HDL）发挥着重要的作用。
HDL是一种用于描述计算机系统硬件的语言，它可以用来设计、验证和仿真数字电子电路，并转化为可实现的布局，进而实现系统功能。
一、硬件描述语言的定义与作用硬件描述语言是一种特殊的编程语言，用于描述计算机硬件的功能和结构。
它能够对硬件进行逻辑设计，并通过编程来实现不同的功能。
常见的硬件描述语言包括VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）和Verilog。
硬件描述语言的作用有以下几个方面：1. 设计和验证功能：通过使用硬件描述语言，工程师可以对计算机硬件进行设计和验证。
在设计过程中，硬件描述语言可以描述硬件的功能和结构，有助于工程师在设计阶段快速定位问题并进行修正。
2. 面向抽象级别：硬件描述语言可以在不同的抽象级别上进行描述。
工程师可以在高级抽象级别上描述整个系统，也可以在低级抽象级别上描述硬件电路的细节。
这使得硬件描述语言非常灵活，能够适应不同的设计需求。
3. 支持仿真和验证：硬件描述语言可以与仿真工具结合使用，用于验证设计的正确性。
通过对硬件描述语言编写的代码进行仿真，工程师可以模拟不同输入条件下的系统运行情况，从而验证设计的正确性，发现潜在问题。
二、逻辑设计与硬件描述语言逻辑设计是计算机系统设计的一个重要环节，通过逻辑设计，可以实现计算机系统的各种功能。
硬件描述语言在逻辑设计中扮演着关键的角色。
1. 逻辑门电路的描述：逻辑门电路是计算机系统中最基本的组成部分。
硬件描述语言可以用来描述不同类型的逻辑门电路，并通过逻辑门之间的连接实现复杂的逻辑功能。
2. 状态机的设计：状态机在计算机系统中广泛应用，用于描述系统的状态和状态之间的转换关系。
硬件描述语言可以描述各种类型的状态机，包括Mealy状态机和Moore状态机，并实现其对应的功能。
计算机系统综合课程设计2-Verilog HDL语言初步
P.5
REGISTER ALU
PC
RAM
&
1
教育部-英特尔精品课程
传统的电路系统设计方法的步骤:
1.采用自下而上的设计方法-从状态图的简化，写出最 简逻辑表达式; 2. 采用通用逻辑元器件 - 通常采用 74 系列和 CMOS4000 系列的产品进行设计；
FPGA/CPLD编 程、下载
P.10
硬件测试
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§2 Verilog
内容简介
HDL设计初步
Verilog HDL与C语言的比较 Verilog模块的基本结构 逻辑功能的定义
P.11
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一.
Verilog HDL与C语言的比较
Verilog HDL是在C语言基础上发展起来的，保留了C语 言的结构特点。 C语言 Verilog语言
单行注释：以//开始到本行结束。 多行注释：以/*开始到*/结束。
/*举例说明*/ module addbit(a,b,ci,sum,co); //输入端口 input a; input b;…….
P.28
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3.
数字与字符串
Verilog HDL有下面4种基本逻辑状态：
0——低电平、逻辑0或“假”
元件例化的格式为：
门元件名 <实例名> (<端口列表>);
例：调用模块的例子 module MUX2-1 (out，a，b，sel）； output out； input a，b，sel； not (sel_，sel)； and (a1，a，sel _)； and ( b1，b，sel)； or (out，a1，b1)； endmodule
fpga中hdl定义
fpga中hdl定义FPGA中的HDL（硬件描述语言）定义引言：FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有高度的可重构性和灵活性。
HDL（硬件描述语言）则是FPGA编程的关键部分，它将FPGA的硬件功能描述转化为可编程的逻辑电路。
本文将深入探讨FPGA中HDL的定义并提供一步一步的解释。
第一节：什么是HDL？1.1 HDL的定义与作用：HDL是一种计算机语言，用于描述和模拟数字电路以及FPGA中的硬件电路。
它允许我们使用文本或者图形方式来描述电路而不需要构建实际的硬件电路。
HDL是FPGA编程的核心，它可以用于实现各种不同的功能，如数据通信、数字信号处理、图像处理等。
1.2 HDL的分类：HDL主要分为两种类型：行为描述和结构描述。
- 行为描述：行为描述指定了电路的操作和功能，类似于软件中的算法。
它使用布尔代数和逻辑表达式来描述电路的行为。
行为描述语言包括VHDL（VHSIC 硬件描述语言）和Verilog。
- 结构描述：结构描述提供了电路的物理连接和层次结构，类似于电路图。
它使用模块和端口来描述电路的结构。
结构描述语言包括VHDL和Verilog。
第二节：HDL的特点和优势2.1 可重构性：由于FPGA的可编程性和灵活性，HDL可以实现对FPGA内部逻辑的重构。
这使得FPGA可以适应不同的应用需求，并且可以在设计完成后进行重新配置。
2.2 可视化和高级抽象：通过使用HDL，设计者可以通过图形界面或者文字描述来实现电路设计。
这使得设计更加直观和易于理解，同时提供了更高级别的抽象，使得设计变得更加简单和高效。
2.3 支持逻辑综合：HDL可以通过逻辑综合工具将高级描述语言转换为电路。
逻辑综合可以利用FPGA中的基本元件来实现电路的功能。
这使得设计人员无需手动设计底层电路，从而提高了设计的效率。
2.4 可重用性：HDL允许设计者创建和使用可重用的电路模块。
数字逻辑与部件设计-硬件描述语言+HDL
• 综合 Synthesis
– High Level Synthesis
– RTL Synthesis
– Logic Synthesis
• 布图 Layout
网表netlist
– 布局 (Placement)
– 布线 (Routing)
• 版图参数提取和验证
如导线电阻，导线间寄生电容
• 测试和诊断
4
begin
A1 = 1'b0; B1 = 1'b0; C1 = 1'b0; //1位二进制0
#100 A1 = 1'b1; B1 = 1'b1; C1 = 1'b1;
end
initial #200 $finish; //200ns结束
endmodule
不知其值是多少
16
Vivado2015中模拟结果
|
或
||
逻辑或
===
全等
^
异或
!==
不全等
^~
同或
AND优先级比OR高
• 缩位运算符：对单个操作数进行运算，最后返回一位数。
运算过程：首先将操作数的第一位和第二位进行与、或、非运算；
然后再将运算结果和第三位进行与、或、非运算；以此类推直至
最后一位。例子见下页...
• 拼接运算符：{s1, s2, …, sn}
2
g6
endmodule
g5
3
13
练习2. 画出下面的电路图
module Circuit_2 (A, B, C, D, F);
input A, B, C, D;
output F;
wire w, x, y, z, a, d;
学习HDL的几点重要提示
学习HDL的几点重要提示
1.了解HDL的可综合性问题
HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现。
假如程序只用于仿真，那么几乎全部的语法和编程方法都可以使用。
但假如我们的程序是用于硬件实现（例如：用于FPGA设计），那么我们就必需保证程序“可综合”（程序的功能可以用硬件电路实现）。
不行综合的HDL语句在软件综合时将被忽视或者报错。
我们应当牢记一点：“全部的HDL 描述都可以用于仿真，但不是全部的HDL描述都能用硬件实现。
”
2. 用硬件电路设计思想来编写HDL
学好HDL的关键是充分理解HDL语句和硬件电路的关系。
编写HDL就是在描述一个电路，我们写完一段程序以后，应当对生成的电路有一些大体上的了解，而不能用纯软件的设计思路来编写硬件描述语言。
要做到这一点，需要我们多实践，多思索，多总结。
3.语法把握贵在精，不在多
30%的基本HDL语句就可以完成95%以上的电路设计，许多生僻的语句并不能被全部的综合软件所支持，在程序移植或者更换软件平台时，简单产生兼容性问题，也不利于其他人阅读和修改。
建议多专心钻研常用语句，理解这些语句的硬件含义，这比多把握几个新语法要有用的多。
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出模块IOB
③可编程内部连 线PIC
CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB
可编程内部互联
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
2、 FPGA的基本结构
FPGA芯片的主要生产厂商：
Xilinx公司：全球最大的生产厂商 Altera公司 Actel公司
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.1 计算机硬件组成、设计及实现 1、计算机硬件组成 2、数字电路的发展 3、数字电路设计使用芯片
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3
第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、计算机硬件组成
按照冯· 诺依曼的定义，计算机的硬件 系统由五大部件组成：
（1）运算器 （2）存储器 （3）控制器 （4）输入设备 （5）输出设备
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、可编程逻辑器件PLD 复杂PLD特点对比：
CPLD 组合逻辑的 实现方法 编程元素 特点 应用范围 集成度
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FPGA 查找表
乘积项，查找表 Flash，EEPROM
SRAM 非易失性； 需要外部配置ROM 立即上电； 内建高性能硬宏功能 可在单芯片上运行 高集成度，高性能
对比：
VHDL发展的较早，语法严格、繁琐； Verilog HDL在C语言的基础上发展起来，语法较自由。
其他硬件描述语言：
ABEL：用于编程PAL、GAL AHDL：Altera公司开发
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.3 硬件描述语言HDL 1、VHDL：
对Xilinx FPGA芯片进行设计开发，要使用 Xilinx公司的开发软件平台——集成软件环境 ISE（Integrated Software Environment）， 在其中用硬件描述语言VHDL或者Verilog语言编 程。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.3 硬件描述语言HDL
采用二进制表示指令和数据。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、计算机硬件组成
采用二进制表示指令和数据。 计算机的部件必须能够存储、处理、运算二进制 信息，这样的二进制信息又称为数字信号。
对数字信号能够进行存储、算术运算和逻辑运算
的电路称为数字电路。
计算机硬件设计和实现的基础就是数字电路。
现场可编程门阵列FPGA（Field Programable Gate Array） 复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、可编程逻辑器件PLD 简单PLD特点对比：
类型 PROM FPLA PAL GAL 与阵列 固定 可编程 可编程 可编程 或阵列 可编程 可编程 固定 固定 输出方式 固定 固定 固定 可组态
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、计算机硬件组成
在计算机技术发展的历程中，数字电路的发展起 着决定性的作用。 第一代计算机：使用电子管实现
第二代计算机：使用晶体管器件实现
第三代计算机开始至今：硬件实现均是基于集成
电路器件或技术。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
ห้องสมุดไป่ตู้
3、数字电路设计使用芯片 设计开发数字电路，可以选择3类芯片：
（3）定制芯片：
将设计好的电路交付半导体器件制造厂商，由厂商选 择合适的技术来生产满足特定性能指标的芯片。 由于生产的芯片主要用于一些特定的应用场合，因此 也称为专用集成电路ASIC。 主要优点：针对特定的应用需求生产，能够根据特定 的任务进行优化。 定制芯片的缺点是：设计和开发周期长，产品投放市 场时间长；成本高，风险大，生产数量大。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
3、数字电路设计使用芯片 设计开发数字电路，可以选择3类芯片：
（2）可编程逻辑器件PLD ：
具有通用的逻辑结构，内部包含大量的可编程开 关，用户编程配置这些开关为不同的状态，就能 实现不同的逻辑功能。 可以按通用的集成电路器件进行批量生产。 编程配置过程由最终的电路产品用户借助编程工 具实现，而不必由芯片制造厂商来完成。
《计算机组成原理课程设计》
第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
主讲教师：冯建文 fengjianwen@
第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.1 计算机硬件组成、设计及实现
1.2 FPGA
1.3 硬件描述语言HDL
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2015-6-3
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.3 硬件描述语言HDL Verilog HDL特点：
（5）具有混合方式建模能力，即在一个设计中每个模 块均可以在不同设计层次上建模。 （6）可使用内置基本逻辑门，在门级对设计完整建模。 （7）可使用内置开关级原语，在开关级对设计完整建 模。 （8）用户可灵活创建自定义原语（UDP）。 （9）可通过使用编程语言接口（PLI），允许与外部 函数交互。
偏向于简单的控制通 偏向于复杂高速的控制 道应用以及组合逻辑 通道应用以及数据处理 小~中规模 中~大规模
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
2、 FPGA的基本结构
可配置逻辑块
FPGA结构：
CLB CLB CLB CLB
可编程I/O块
①可配置逻辑模
块CLB ②可编程输入输
CLB CLB CLB CLB
HDL语言不仅可以描述硬件电路的功能，还可以 描述电路的时序。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.3 硬件描述语言HDL
随着EDA技术的发展，使用硬件语言设计 CPLD/FPGA已成为一种趋势。 目前最主要的硬件描述语言
VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit HDL） Verilog HDL
2、数字电路的发展 按照制造工艺，数字电路分为：
TTL型：采用双极型晶体管 CMOS型：采用NMOS和PMOS两种互补的金 属-氧化物半导体场效应晶体管
不可编程器件 可编程逻辑器件PLD
按照可编程性：
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
3、数字电路设计使用芯片 设计开发数字电路，可以选择3类芯片：
2、数字电路的发展
数字电路：用数字信号完成对数字量进行算
术运算和逻辑运算的电路。
特点：
采用二进制1和0两种数码，对应两种逻辑状态： 真和假。 逻辑运算是数字电路最基本的运算形式：与、 或、非。 门电路和触发器是数字电路最基本的电路单元。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.2 FPGA
1、可编程逻辑器件PLD 2、FPGA的基本结构
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1、可编程逻辑器件PLD PLD结构：
输 入 输入 缓冲 与 阵 列 或 阵 列 输出 缓冲 电路 输 出
…
2、数字电路的发展 电子管→晶体管→半导体集成电路 分离器件电路→集成电路IC 集成电路的规模：集成度
小规模集成电路SSIC 中规模集成电路MSIC 大规模集成电路LSIC 超大规模集成电路VLSIC 甚大规模集成电路ULSIC 巨大规模集成电路GSIC
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
主要优点是：简洁、高效、功能强、易学易用，语法与 C语言有许多相似之处。
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第1章 计算机硬件设计、FPGA与HDL
1.3 硬件描述语言HDL
Verilog HDL特点：
（1）既能进行面向综合的电路设计，也可用于电路的模 拟仿真。 （2）设计能够在多个层次上加以描述，从开关级、门级、 寄存器传送级（RTL）到算法级，包括进程和队列级。 （3）设计的规模可以是任意的；语言不对设计的规模 （大小）施加任何限制。 （4）有三种电路描述与建模方式： 行为描述方式：使用过程化结构建模； 数据流描述方式：使用连续赋值语句方式建模； 结构描述方式：使用门和模块实例语句描述建模。
1.3 硬件描述语言HDL VHDL特点：
（1）VHDL具有更强的行为描述能力。 （2）VHDL丰富的仿真语句和库函数。
（3）VHDL具有支持大规模设计的分解和已有设计的 再利用功能。
（4）可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动
的把VHDL描述设计转变成门级网表。
（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性。
HDL（ Hardware Description Language ）语 言：以文本形式来描述数字系统硬件结构和行为， 是一种用形式化方法来描述数字电路和系统的语 言，可以从上层到下层来逐层描述自己的设计思 想。