VHDL语言与数字集成电路设计PPT课件
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《VHDL语言教程》课件
VHDL语言的应用领域和实际案例
通信系统
用于设计编码器、解码器、协议处理和通信接 口。
嵌入式系统
用于设计嵌入式控制器、传感器接口和外设控 制。
图像处理
用于设计数字图像滤波、边缘检测和图像压缩 算法。
自动驾驶
用于设计数字信号处理、传感器融合和控制算 法。
VHDL语言的未来发展和趋势
VHDL语言将继续发展，以适应新兴技术和需求，如人工智能、物联网和边缘计算。
总结和课程建议
通过本课程，您将掌握VHDL语言的基础知识和应用技巧，为您在
1 实体（Entity）
定义模块的接口和名称。
2 体（Architecture）
描述模块的行为和内部结构。
3 过程（Process）
4 信号（Signal）
定义模块基于输入信号做出相应输出的操作。
用于在模块之间传递数据。
VHDL语言的模拟器和仿真工具
模拟器
用于测试和验证设计的正确性和 功能。
波形仿真
可视化信号波形，以便分析和调 试。
调试工具
帮助定位设计中的错误和问题。
VHDL语言的硬件描述和设计方法
1
结构化设计
将设计分解为可重用的模块，提高灵活
行为级建模
2
性和可维护性。
使用过程描述模块的行为和操作。
3
数据流建模
使用信号和变量描述模块的数据流和计
引导配置
4
算过程。
定义模块间的连接和信号传递关系。
《VHDL语言教程》PPT课 件
欢迎来到《VHDL语言教程》PPT课件，让我们一起探索VHDL语言的定义、历 史背景以及它在数字电路设计中的重要性。
什么是VHDL语言？
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语言进行集成电路设计PPT课件
IC 代工厂 fountry
集成电路设计 的工业实现
IP 设计公司
Chipless
2. 无晶圆厂的ASIC公司(Fabless) 3. 制造代工业（Fountry） 4. IP设计业（chipless） 5. 设计代工业(design fou第n3d2r页y/)共35页
1 多项目晶圆的概念 （1）MPW服务业务的社会需求 （2）MPW服务业务的宗旨、作用 （3）MPW服务的发展状况 （4）MPW现状与存在的问题 2 多项目晶圆的实施过程 （1）开发多项目晶圆计划的目的 （2）MPW技术 （3）NRE的概念 （4）MPW服务体系建立的条件 （5）MPW计划对设计资源的整合
• 高层次综合流程
高层次综合范畴
第15页/共35页
设计仿真
• 仿真（emulation），利用计算机硬件平台，EDA工程设计环境， 搭建虚拟的设计系统，在计算机上进行波形分析，时序分析， 功能验证的过程称为仿真。
• EDA工具的不完备，设计项目的修改，描述文件的错误等原因， 都使设计项目需要仿真、验证。
第6章 用VHDL语言进行集成 电路设计
现代电子设计方法
第1页/共35页
概论
本章阐述在VHDL程序设计完成之后，怎样进行处理，才能完成集成电路设计的过 程。 • 计算机的应用促进了新学科的诞生。 • EDA 工程就是以计算机为工作平台，以EDA 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为 设计语言，以可编程器件为实验载体,以ASIC、SOC芯片为设计目标，以电子系统设计 为应用方向电子产品自动化设计过程。 • 现代电子设计方法是现代电子设计的基础，是电子线路原理设计，电子系统整机设计, 集成电路芯片设计的方法学。 • 现代电子设计方法的研究目标主要是怎样用VHDL语言设计超大规模专用集成电路 （ASIC），怎样对一片超大规模集成电路进行功能划分，VHDL语言描述、逻辑综合、 仿真分析、形式验证、设计实现是现代电子设计方法要解决的主要问题。
数字电路与逻辑设计(第三版)课件：VHDL 语言与数字电路设计
VHDL 语言与数字电路设计
第三代 EDA 工具出现于 20 世纪 90 年代，随着芯片的 复杂程度愈来愈高，数万门及数十万门的电路设计越来越多， 单是靠原理图输入方式已经不堪忍受，采用硬件描述语言 ( HDL ， HardwareDescribeLanguage )的设计方式就应运而 生，设计工作从行为级、功能级开始， EDA 向设计的高层 次发展，这样就出计
逻辑综合分成两个阶段:首先是与工艺无关的阶段，此 阶段采用布尔操作或代数操作技术来优化逻辑;其次是工艺 映射阶段，此阶段根据电路的性质(如组合型或时序型)及采 用的结构(多层逻辑、 PLD 或 FPGA )作出具体的映射，将 与工艺无关的描述转换成门级网表或 PLD (或 FPGA )的专 门文件。逻辑综合优化完成后，还需要进行细致的时延分析 和时延优化。此外还要进行逻辑仿真，逻辑仿真是保证设计 正确的关键步骤。
VHDL 语言与数字电路设计
VHDL 语言与数字电路设计
7. 1 电子设计自动化( EDA )技术的发展 7. 2 硬件描述语言对数字系统的描述 7. 3 基于硬件描述语言的数字电路设计流程 7. 4 VHDL 语言的基本文法 7. 5 VHDL 语言对基本电路行为的描述方法 7. 6 VHDL 语言对复杂电路行为的描述方法 习题
VHDL 语言与数字电路设计
结构的开放性是指通过一定的编程语言可以访问统一的 数据库，同时在此结构框架中可嵌入第三方所开发的设计软 件。
系统的可移植性是指整个软件系统可安装到不同的硬件 平台上，这样可组成一个由不同型号工作站所组成的设计系 统，从而共享同一设计数据。也可由低价的个人计算机和高 性能的工作站共同组成一个系统。
VHDL 语言与数字电路设计
第二代 EDA 工具集逻辑图输入、逻辑模拟、测试码生 成、电路模拟、版图输入、版图验证等工具于一体，构成了 一个较完整的设计系统。工程师以输入电路原理图的方式开 始设计，并在 32 位工作站上完成全部设计工作。它支持全 定制电路设计，同时支持门阵列、标准单元的自动设计。对 于门阵列、标准单元等电路，系统可完成自动布局、自动布 线功能，因而大大减轻了设计版图的工作量。
《VHDL语言与数字逻辑电路设计》EDA基础 ppt课件
VHDL语言与 数字逻辑电路设计
ppt课件
1
第1讲 EDA基础
电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）技术是新一代 的自动辅助电子设计工具，近年来在电子设计与制造领域，EDA技术越 来越受到重视，已形成强劲的发展势头。专用集成电路ASIC （Application Specific Integrated Circuit）、片上系统SoC（System on Chip）、可编程片上系统SoPC（System on Programmable Chip）是当前 各种电子高科技产品的核心部分。ASIC、 SoC 和SoPC的设计必须借助 于EDA工具，而ASIC、 SoC 和SoPC的改进又对EDA工具提出更高的要 求，从而促进了EDA技术的发展。
ppt课件
9
第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
一、可编程逻辑器件（PLD）的分类
1. 按可编程的部位分类：
PROM PLA 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
输出电路 固定 固定 固定 可组态
ppt课件
10
第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
ppt课件
2
第1讲 EDA基础
1.1 EDA技术的发展及技术特色
EDA技术的发展从60年代中期至今经历了三个阶段。 • 电子线路CAD是EDA发展的初级阶段（60年代中期~80年代初）。 • 电子线路CAE是EDA发展的中级阶段（80年代初~90年代初）。 • ESDA是EDA发展的高级阶段（90年代以来）
13
第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
ppt课件
1
第1讲 EDA基础
电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）技术是新一代 的自动辅助电子设计工具，近年来在电子设计与制造领域，EDA技术越 来越受到重视，已形成强劲的发展势头。专用集成电路ASIC （Application Specific Integrated Circuit）、片上系统SoC（System on Chip）、可编程片上系统SoPC（System on Programmable Chip）是当前 各种电子高科技产品的核心部分。ASIC、 SoC 和SoPC的设计必须借助 于EDA工具，而ASIC、 SoC 和SoPC的改进又对EDA工具提出更高的要 求，从而促进了EDA技术的发展。
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第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
一、可编程逻辑器件（PLD）的分类
1. 按可编程的部位分类：
PROM PLA 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
输出电路 固定 固定 固定 可组态
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第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
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第1讲 EDA基础
1.1 EDA技术的发展及技术特色
EDA技术的发展从60年代中期至今经历了三个阶段。 • 电子线路CAD是EDA发展的初级阶段（60年代中期~80年代初）。 • 电子线路CAE是EDA发展的中级阶段（80年代初~90年代初）。 • ESDA是EDA发展的高级阶段（90年代以来）
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第1讲 EDA基础
1.2 可编程逻辑器件基础
《VHDL电路设计》课件
VHDL在通信系统中 的应用
介绍VHDL在通信系统中的应用， 如协议解析和信道编码。
VHDL在嵌入式系统 中的应用
了解VHDL在嵌入式系统中的应 用，如控制逻辑和外设接口。
第八章：VHDL工具介绍
1 VHDL设计工具
介绍常用的VHDL设计工具，如Xilinx ISE和 Altera Quartus。
第五章：VHDL综合
1 VHDL综合的基本原理
了解VHDL综合的基本原理，以及综合对电路
介绍VHDL综合的流程和常用的综合技术，帮助优化电路设计。
3 综合后的回路分析和测试
学习如何分析和测试经过综合的电路，确保其功能和性能的正确性。
第六章：VHDL实现
VHDL实现的方法和流程
实体和体系结构
学习VHDL中的实体和体系结构的概念，理解电 路建模的核心原理。
信号和变量
了解VHDL中信号和变量的概念，以及它们在电 路设计中的不同作用。
第三章：VHDL建模
VHDL建模方法
介绍VHDL建模的不同方法，并 提供适用于不同场景的建模技 巧。
单元建模
学习如何使用VHDL进行单元级 建模，以便复用和模块化电路 设计。
《VHDL电路设计》PPT课件
# VHDL电路设计 PPT课件 ## 第一章：简介 - 什么是VHDL电路设计 - 为什么需要学习VHDL - VHDL的起源和发展历程
第二章：基础语法
VHDL的语法结构
了解VHDL的语法结构和基本元素，为电路设计 打下坚实的基础。
数据类型和常量
掌握VHDL中的数据类型和常量的使用，以及它 们在电路设计中的应用。
总结
1 VHDL电路设计的关键技术和应用
总结VHDL电路设计中的关键技术和应用，以 帮助学习者加深理解。
VHDL语言教程ppt课件
信号赋值语句： 目标信号名 <= 表达式;
x<=9; Z<=x after 5 ns; -- 在5ns后将x的值赋予z
9
3.1.2 数据类型
➢ VHDL的预定义数据类型 在VHDL标准程序包STANDARD中定义好，实际使用过程中，已
自动包含进VHDL源文件中，不需要通过USE语句显式调用。
布尔：(Boolean)
来，区分大小写；
VARIABLE string_var: STRING (1 TO 7);
string_var:=“A B C D” ;
-- 通常用“”引起来，区分大小写；
整数：(Integer)
取值范围 -(231-1) ～(231-1)，可用32位有符号的二进制数表示
variable a：integer range -63 to 63
在条件语句中，必须要全面考虑Std_Logic的所有可能取值情况，否则综 合器可能会插入不希望的锁存器。
13
➢ 用户自定义
TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型 或 TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义
数组：type value_type is array (127 downto 0) of integer; type matrix_type is array (0 to 15, 0 to 31) of std_logic；
L： Weak 0
H： Weak 1
—：Don’t care
标准逻辑位矢量（ Std_Logic_vector）
基于Std_Logic类型的数组；
使用Std_Logic和 Std_Logic_Vector要调用IEEE库中的Std_Logic_1164 程序包；就综合而言，能够在数字器件中实现的是“－、0、1、Z”四种状态。
x<=9; Z<=x after 5 ns; -- 在5ns后将x的值赋予z
9
3.1.2 数据类型
➢ VHDL的预定义数据类型 在VHDL标准程序包STANDARD中定义好，实际使用过程中，已
自动包含进VHDL源文件中，不需要通过USE语句显式调用。
布尔：(Boolean)
来，区分大小写；
VARIABLE string_var: STRING (1 TO 7);
string_var:=“A B C D” ;
-- 通常用“”引起来，区分大小写；
整数：(Integer)
取值范围 -(231-1) ～(231-1)，可用32位有符号的二进制数表示
variable a：integer range -63 to 63
在条件语句中，必须要全面考虑Std_Logic的所有可能取值情况，否则综 合器可能会插入不希望的锁存器。
13
➢ 用户自定义
TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型 或 TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义
数组：type value_type is array (127 downto 0) of integer; type matrix_type is array (0 to 15, 0 to 31) of std_logic；
L： Weak 0
H： Weak 1
—：Don’t care
标准逻辑位矢量（ Std_Logic_vector）
基于Std_Logic类型的数组；
使用Std_Logic和 Std_Logic_Vector要调用IEEE库中的Std_Logic_1164 程序包；就综合而言，能够在数字器件中实现的是“－、0、1、Z”四种状态。
VHDL与数字电路设计PPT课件-第一章VHDL程序的基本结构
END eqcomp4;
ARCHITECTURE dataflow OF eqcomp4 IS BEGIN
equal <= ‘1’ WHEN a=b ELSE ‘0’; END dataflow;
VHDL 对大小写不敏感
每行；结尾 关键字END后 跟实体名
关键字BEGIN
关键字END后 跟构造体名
8
VHDL与数字电路设计
1
h
目录
一 基本结构 二 库和程序包 三 实体 四 结构体 五 配置
2
h
1、基本结构
如图代表的是一个芯片的内部俯视图，下面范例 介绍如何使用VHDL程序设计该芯片电路。
Pin48
Pin7
3
h
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
h
2、库和程序包
LIBRARY（库）是用于存放预先编译好的设计单元（实体 说明、结构体、配置说明、程序包说明和程序包体等）。
PACKAGE （程序包）中定义了基本的常数，数据类型，元 件及子程序等。
作用：
声明在实体和结构体定义中将用到的数据类型、元件 或子程序等。
声明格式:
LIBRARY <库名>; USE <库名>.<程序包名>.ALL; USE <库名>.<程序包名>.<程序包中的项目>;
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
ARCHITECTURE dataflow OF eqcomp4 IS BEGIN
equal <= ‘1’ WHEN a=b ELSE ‘0’; END dataflow;
VHDL 对大小写不敏感
每行；结尾 关键字END后 跟实体名
关键字BEGIN
关键字END后 跟构造体名
8
VHDL与数字电路设计
1
h
目录
一 基本结构 二 库和程序包 三 实体 四 结构体 五 配置
2
h
1、基本结构
如图代表的是一个芯片的内部俯视图，下面范例 介绍如何使用VHDL程序设计该芯片电路。
Pin48
Pin7
3
h
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
h
2、库和程序包
LIBRARY（库）是用于存放预先编译好的设计单元（实体 说明、结构体、配置说明、程序包说明和程序包体等）。
PACKAGE （程序包）中定义了基本的常数，数据类型，元 件及子程序等。
作用：
声明在实体和结构体定义中将用到的数据类型、元件 或子程序等。
声明格式:
LIBRARY <库名>; USE <库名>.<程序包名>.ALL; USE <库名>.<程序包名>.<程序包中的项目>;
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
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系统设计 系统描述：芯片功能、性能、 成本、尺寸等
功能设计 功能级描述：功能框图、时序 图等
逻辑设计 逻辑描述：逻辑电路图 电路设计 电路描述：电路图、门级网表 版图设计 版图网表
设计交流的语言：HDL
采用文本形式进行程序设计，便于编写和修改； 具有硬件特征的语句，可以描述数字系统的结 构、功能、行为和接口； 全面支持电路硬件的设计、验证、综合和测试； 设计与具体工艺无关，适合于多层次设计； 具有良好的开放性和并行设计能力、便于交流 保存共享。
数字集成电路的发展
从上世纪60年代开始发展，每3年 集成度与速度提高2倍。 从简单的门电路到复杂的数字系统， 系统复杂程度急剧提高。
数字集成电路的发展
SSI （1—20gates） 基本单元组合 （P.13） MSI（20—200） 简单功能电路：
译码器、数据选择器、寄存器、计数器 LSI（200—20万） 小规模系统组件：
存储器、微处理器、可编程逻辑器件 VLSI（可达上亿） 大型系统组件或小型系统
SOC：Systems on chip !
数字集成电路的设计
数字集成电路的设计特点
电路复杂程度高，开发时间长； 目标：短周期、低成本、高性能 方案：层次化、模块化、标准化 自顶至下的多层次设计：TOP-DOWN
数字集成电路的设计层次
本课程内容安排
了解数字集成电路的结构特点 了解数字集成系统的基本设计方法 掌握常用EDA工具的基本使用方法 掌握VHDL的基本语法和主要编程要点 掌握常用数字单元电路的VHDL设计特 点
教材
Digital Design —Principles & Practices （第三版） John F.Wakerly
s1 a b s s1 ci
对全加器电路描述的修改
architecture rtl of fa is signal s1:bit; Begin -- s<=a xor b xor ci; s1<=a xor b;s<=s1 xor ci co<=(a and b) or (a and ci)
VHDL语言与数字集成电路设 计
第一章 概述
VHDL Very high speed integration circuits Hardware Description Language
一种集成电路的硬件描述语言； 用于进行数字集成电路的设计；
数字集成电路
数字逻辑电路，通常由基本门电路构成； 在一块半导体芯片上设计制作； 目前以CMOS工艺为主进行制备； 在信息技术领域得到广泛的应用。
co ab ac bc
全加器的VHDL程序
entity fa is port (a,b,ci: in bit;
s,co : out bit); end fa;
architecture rtl of fa is begin s<=a xor b xor ci; co<=(a and b) or (a and ci)
采用实体（entity）描述模块的外部端口ຫໍສະໝຸດ VHDL对电路内部结构的描述
architecture str of add4 is signal c: bit_vector(2 downto 0); component fa is port (a,b,ci: in bit;
s,co : out bit); end component; begin u1:fa port map (a(0),b(0),ci,s(0),c(0)); u2:fa port map (a(1),b(1),c(0),s(1),c(1)); u3:fa port map (a(2),b(2),c(1),s(2),c(2)); u4:fa port map (a(3),b(3),c(2),s(3),s(4)); end str;
or (b and ci); end rtl;
只是改变结构体中的相应描述语句
修改后电路的综合结果
通过简单改变VHDL的语句，就可以改变电 路中使用的逻辑单元和连接方式。
电路基本单元的结构
考虑到晶体管级和版图级的性能优化问题， 异或门可以采用传输门结构实现，而“与或”结构则通常采用与非门实现。
数字集成电路的优化设计
在系统一级，需要考虑使功能模块的数量 最小化，减少相互连线； 在功能模块一级，需要考虑逻辑单元的使 用量和运算速度问题； 对于逻辑单元，则需要考虑基本单元的使 用及其连接方式； 晶体管级和版图的优化则限制着基本逻辑 单元的规模。
数字集成电路设计的基本条件
熟悉电路的基本结构，设计方法和设计流程； 掌握硬件描述语言的特点和描述方法； 掌握相关综合工具和仿真工具的应用。
一个简单数字电路的设计描述
4位加法器标准模块：a+b+ci=s 3组输入，1组输出；
4位加法的实现过程
可以采用4个全加器模块（FA）连接实 现；
VHDL对电路模块的描述
entity add4 is port (a,b: in bit_vector( 3 downto 0 );
ci : in bit; s : out bit_vector(4 downto 0)); end add4;
or (b and ci); end rtl;
全加器VHDL程序的综合结果
对全加器电路描述的修改
在CMOS电路结构中，3输入异或门不是一 个基本单元器件，为了使设计能够更直接地 反映晶体管电路的构成，可以将该计算采用 两输入逻辑替代，设置一个中间信号表达2 个输入量的异或，然后再将其与第3个变量 进行异或；
采用结构体（archtecture）描述模块 的内部连接关系
对上述描述程序的电路综合
程序准确体现了希望实现的电路结构
全加器的设计
VHDL不仅可以通过连线描述进行电路设计， 也可以通过运算关系或电路的行为特征进行 电路设计。 根据数字电路的基本知识，全加器的功能可 以由下列逻辑运算描述：
s abc
高等教育出版社 （2001） (节选相关内容)
参考书
现代电子技术—VHDL与数字系统设计 杨刚 龙海燕 电子工业出版社（2004）
VHDL数字电路设计教程 [巴西]Volnei A.Pedroni 著 乔庐峰 王志功 等译 电子工业出版社（2005）
功能设计 功能级描述：功能框图、时序 图等
逻辑设计 逻辑描述：逻辑电路图 电路设计 电路描述：电路图、门级网表 版图设计 版图网表
设计交流的语言：HDL
采用文本形式进行程序设计，便于编写和修改； 具有硬件特征的语句，可以描述数字系统的结 构、功能、行为和接口； 全面支持电路硬件的设计、验证、综合和测试； 设计与具体工艺无关，适合于多层次设计； 具有良好的开放性和并行设计能力、便于交流 保存共享。
数字集成电路的发展
从上世纪60年代开始发展，每3年 集成度与速度提高2倍。 从简单的门电路到复杂的数字系统， 系统复杂程度急剧提高。
数字集成电路的发展
SSI （1—20gates） 基本单元组合 （P.13） MSI（20—200） 简单功能电路：
译码器、数据选择器、寄存器、计数器 LSI（200—20万） 小规模系统组件：
存储器、微处理器、可编程逻辑器件 VLSI（可达上亿） 大型系统组件或小型系统
SOC：Systems on chip !
数字集成电路的设计
数字集成电路的设计特点
电路复杂程度高，开发时间长； 目标：短周期、低成本、高性能 方案：层次化、模块化、标准化 自顶至下的多层次设计：TOP-DOWN
数字集成电路的设计层次
本课程内容安排
了解数字集成电路的结构特点 了解数字集成系统的基本设计方法 掌握常用EDA工具的基本使用方法 掌握VHDL的基本语法和主要编程要点 掌握常用数字单元电路的VHDL设计特 点
教材
Digital Design —Principles & Practices （第三版） John F.Wakerly
s1 a b s s1 ci
对全加器电路描述的修改
architecture rtl of fa is signal s1:bit; Begin -- s<=a xor b xor ci; s1<=a xor b;s<=s1 xor ci co<=(a and b) or (a and ci)
VHDL语言与数字集成电路设 计
第一章 概述
VHDL Very high speed integration circuits Hardware Description Language
一种集成电路的硬件描述语言； 用于进行数字集成电路的设计；
数字集成电路
数字逻辑电路，通常由基本门电路构成； 在一块半导体芯片上设计制作； 目前以CMOS工艺为主进行制备； 在信息技术领域得到广泛的应用。
co ab ac bc
全加器的VHDL程序
entity fa is port (a,b,ci: in bit;
s,co : out bit); end fa;
architecture rtl of fa is begin s<=a xor b xor ci; co<=(a and b) or (a and ci)
采用实体（entity）描述模块的外部端口ຫໍສະໝຸດ VHDL对电路内部结构的描述
architecture str of add4 is signal c: bit_vector(2 downto 0); component fa is port (a,b,ci: in bit;
s,co : out bit); end component; begin u1:fa port map (a(0),b(0),ci,s(0),c(0)); u2:fa port map (a(1),b(1),c(0),s(1),c(1)); u3:fa port map (a(2),b(2),c(1),s(2),c(2)); u4:fa port map (a(3),b(3),c(2),s(3),s(4)); end str;
or (b and ci); end rtl;
只是改变结构体中的相应描述语句
修改后电路的综合结果
通过简单改变VHDL的语句，就可以改变电 路中使用的逻辑单元和连接方式。
电路基本单元的结构
考虑到晶体管级和版图级的性能优化问题， 异或门可以采用传输门结构实现，而“与或”结构则通常采用与非门实现。
数字集成电路的优化设计
在系统一级，需要考虑使功能模块的数量 最小化，减少相互连线； 在功能模块一级，需要考虑逻辑单元的使 用量和运算速度问题； 对于逻辑单元，则需要考虑基本单元的使 用及其连接方式； 晶体管级和版图的优化则限制着基本逻辑 单元的规模。
数字集成电路设计的基本条件
熟悉电路的基本结构，设计方法和设计流程； 掌握硬件描述语言的特点和描述方法； 掌握相关综合工具和仿真工具的应用。
一个简单数字电路的设计描述
4位加法器标准模块：a+b+ci=s 3组输入，1组输出；
4位加法的实现过程
可以采用4个全加器模块（FA）连接实 现；
VHDL对电路模块的描述
entity add4 is port (a,b: in bit_vector( 3 downto 0 );
ci : in bit; s : out bit_vector(4 downto 0)); end add4;
or (b and ci); end rtl;
全加器VHDL程序的综合结果
对全加器电路描述的修改
在CMOS电路结构中，3输入异或门不是一 个基本单元器件，为了使设计能够更直接地 反映晶体管电路的构成，可以将该计算采用 两输入逻辑替代，设置一个中间信号表达2 个输入量的异或，然后再将其与第3个变量 进行异或；
采用结构体（archtecture）描述模块 的内部连接关系
对上述描述程序的电路综合
程序准确体现了希望实现的电路结构
全加器的设计
VHDL不仅可以通过连线描述进行电路设计， 也可以通过运算关系或电路的行为特征进行 电路设计。 根据数字电路的基本知识，全加器的功能可 以由下列逻辑运算描述：
s abc
高等教育出版社 （2001） (节选相关内容)
参考书
现代电子技术—VHDL与数字系统设计 杨刚 龙海燕 电子工业出版社（2004）
VHDL数字电路设计教程 [巴西]Volnei A.Pedroni 著 乔庐峰 王志功 等译 电子工业出版社（2005）