vhdl硬件描述语言
硬件描述语言VHDL基本概念
信号模式表示端口的数据流向，有以下五 种：IN（流入实体）、OUT（流出实体）、 INOUT（双向端口）、BUFFER（带有反馈的 输出端口，该端口只能有1个驱动源）和 LINKAG（无特定方向）。
20世纪70年代末至80年代初，美国国防部提出了 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）计划， 其目标是为了开发新一代集成电路。
为了配合这一计划，1983年美国国防部与TI公司、 IBM公司和Intermerics公司联合签约，开发VHSIC HDL,即VHDL。在1985年开发小组发布了最后版本 VHDL V7.2,同时开始着手标准化工作，到1987年12月， VHDL经过多次修改后，被IEEE接受为第一个标准HDL， 即IEEE Std 1076-1987。
目前公布的最新VHDL标准版本是
IEEE Std 1076-2008。
2.2 1位全加器的描述实例
1位全加器有3个输入端a、b、c_in和 2个输出端sum、c_out。
它是由2个半加器和1个或门构成。
a
sum
b
全加器
a
temp_sum
sum
U1
U2
b 半加器
半加器 temp_c2
c_in
c_out c_in
1个设计实体由1个实体声明和若干个结构 体组成。实体声明是设计实体的接口部分，它 表示设计实体对外部的特征信息；结构体是设 计实体的实现方案描述。
1个设计实体中的若干个结构体，分别代表 同一实体声明的不同实现方案。
vhdl硬件描述语言与数字逻辑电路设计
vhdl硬件描述语言与数字逻辑电路设计数字逻辑电路设计是一种将数字信号进行处理和控制的技术。
数字电路由元器件（比如集合在一起的门、触发器、逻辑块、寄存器等）构成，这些元件的行为由原理图和逻辑方程式表示。
数字电路的设计主要是为了控制、处理和传输数字信号，具有可控制性、自动化程度较高和灵活性强的特点。
VHDL与数字逻辑电路设计是密切相关的，VHDL既可以用来描述数字电路的结构，也可以用来推导数字电路的行为。
在数字逻辑电路设计中，VHDL语言可以帮助工程师实现电路的功能和特性，简化设计过程，并提高设计的灵活性和可靠性。
VHDL是一种硬件描述语言，可以用来描述数字逻辑电路中的各种元件、信号和功能。
VHDL主要包括以下几个方面的内容：1. 实体（entity）：实体用来描述数字电路的外部结构和功能，类似于模块的概念。
一个实体声明了电路的输入输出端口，并定义了电路的功能和行为。
2. 体系结构（architecture）：体系结构用来描述实体的内部结构和功能，包括内部信号、寄存器、逻辑块等。
一个体系结构定义了实体的具体实现方式，包括各个元件之间的连接和控制。
3. 信号（signal）：信号用来表示数字电路中的各种输入输出信号，包括时钟信号、数据信号、控制信号、状态信号等。
VHDL语言中的信号可以用来描述电路中的各种逻辑关系和行为。
4. 过程（process）：过程用来描述电路中的各种行为和动作，比如数据传输、逻辑运算、状态转换等。
VHDL中的过程可以用来描述数字电路中的各种逻辑操作和控制。
5. 组合逻辑（combinational logic）：组合逻辑用来描述电路中的各种逻辑运算和逻辑关系，包括与门、或门、非门、异或门等。
组合逻辑表示了电路中的直接逻辑关系和信号转换。
6. 时序逻辑（sequential logic）：时序逻辑用来描述电路中的各种时钟触发、状态转换、寄存器等。
时序逻辑表示了电路中的时钟控制、状态转换和时序问题。
第11章++硬件描述语言VHDL简介
实体部分最核心的内容是由关键字port引导的端口说明。A和B是输入引脚，使 用了关键字in来描述。Bit的意思是指A和B的数据类型是位类型。位类型数据只可取 0和1这两个数值。S和CO是输出信号，用out来描述，数据类型也是bit型。 实体说明的是部件的名称和端口信号类型，它可以描述小至一个门，大到一个复杂 的CPU芯片、一块印制电路板甚至整个系统。实体的电路意义相当于器件，在电路 原理图上相当于元件符号，它是一个完整的、独立的语言模块，并给出了设计模块 和外部接口。 具体语法如下： entity 实体名 is ——实体名自选，通常用反映模块功能特征的名称 port（端口名称1：端口方式1 端口类型1； 端口名称2：端口方式2 端口类型2；…）； end 实体名； ——这里的实体名要和开始的实体名一致 其中端口方式可以有5种，分别是： in：输入端口，信号从该端口进入实体。 out：输出端口，信号从实体内部经该端口输出。 inout：输入输出（双向）端口，信号既可从该端口输入也可从该端口输出。 buffer：缓冲端口，工作于缓冲模式。 Linkage：无指定方向，可与任何方向的信号连接。
（2）用户自定义的数据类型 VHDL语言允许用户自定义数据类型。其书写格式为： type 数据类型名 is 数据类型定义； 例如： type digit is integer range 0 to 9； ——定义digit的数据类型是0～9的整 数 可由用户定义的数据类型有： 枚举（Enumerated）类型； 整数（Integer）类型； 实数（Real）、浮点数（Floating）类型； 数组（Array）类型； 存取（Access）类型； 文件（File）类型； 记录（Record）类型； 时间（Time）类型（物理类型）。
11.1 VHDL语言基础
VHDL硬件描述语言
VHDL语言设计实体的基本结构
3. 结构体说明语句 用于定义结构体中所用的数据对象和子程序， 并对所引用的元件加以说明，如： ● 信号（SIGNAL）
● 类型（TYPE）
● 常数（CONSTANT） ● 元件（COMPONENT） ● 函数（FUNCTION） ● 过程（PROCEDURE）
28
3
概 述
1993年，IEEE对VHDL进行了修订，增加了一些 功能，并从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL的内容，公布了VHDL新的版本，编号为IEEE Std1076-1993（简称93版）。 1995年中国国家技术监督局组织编写并出版了 《CAD通用技术规范》，推荐VHDL语言作为我国电子 自动化硬件描述语言的国家标准。1996年， IEEE1076.3成为VHDL综合标准。
结构体：用来描述电路内部结构和逻辑功能。并以 标识符ARCHITECTURE开头，以END结尾。
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VHDL语言设计实体的基本结构
VHDL语言的实体说明
实体说明是VHDL程序设计中最基本的组成部分， 实体说明语句的格式如下： 主要用来描述设计实体的外部接口信号，定义设计 实体说明语句 ENTITY 实体名 IS 单元的输入、输出端口，是设计实体对外的一个通 类属说明语句 [GENERIC（类属表）；] 信界面，但它不描述设计的具体功能。 端口说明语句 [PORT（端口表）；] 结束语句 END [ENTITY] 实体名；
{; 常数名{, 常数名}: 数据类型[: 设定值]}) 常数名：是由设计者定义的类属常数名； 数据类型：常取INTEGER或TIME的类型； 设定值：为常数名所代表的数值。
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VHDL语言设计实体的基本结构
2. 类属说明语句GENERIC
VHDL入门教程
VHDL入门教程VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language）是一种硬件描述语言，用于设计数字电路和系统。
它是由美国国防部在20世纪80年代早期开发的，并由IEEE 1076标准化。
VHDL可以用于描述电路结构、电路行为和模拟。
一、VHDL概述VHDL是一种硬件描述语言，它允许工程师以更高级的语言编写硬件描述。
它可以描述电路结构、电路行为和模拟。
VHDL可以应用于各种电子系统的设计，从简单的数字逻辑门到复杂的处理器。
二、VHDL基本结构VHDL的基本结构包括实体声明、体声明和结构化代码。
实体声明描述了电路的接口，包括输入和输出。
主体声明描述了电路的行为。
结构化代码定义了电路的结构。
三、VHDL数据类型VHDL提供了多种数据类型，包括标量类型（比如整数和实数）、数组类型和记录类型。
每种类型都有其特定的操作和范围。
四、VHDL信号VHDL中的信号用于在电路中传递信息。
信号可以在过程中赋值，并且具有各种延迟属性。
信号还可以连接到模块的输入和输出端口，以实现电路之间的通信。
五、VHDL实体和体VHDL设计包含实体和体。
实体描述了电路的接口和连接，而体描述了电路的行为。
实体和体之间使用端口来传递信息。
六、VHDL组件VHDL中的组件用于将电路模块化，以实现更高层次的设计和复用。
组件可以在实体中声明，并在体中实例化。
七、VHDL并发语句VHDL中的并发语句用于描述电路中多个同时运行的过程。
并发语句包括并行语句、过程、并行块和并行时钟。
八、VHDL测试VHDL测试包括自动测试和手动测试。
自动测试使用测试工具和仿真器来验证电路的正确性。
手动测试包括使用仿真器进行手工测试和调试。
九、VHDL实例以下是一个简单的VHDL实例，实现了一个4位二进制加法器：```vhdllibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;entity binary_adder isporta : in std_logic_vector(3 downto 0);b : in std_logic_vector(3 downto 0);sum : out std_logic_vector(4 downto 0);carry : out std_logicend binary_adder;architecture behavior of binary_adder isbeginprocess(a, b)variable temp_sum : std_logic_vector(4 downto 0);variable temp_carry : std_logic;begintemp_sum := ("0000" & a) + ("0000" & b);temp_carry := '0' when temp_sum(4) = '0' else '1';sum <= temp_sum;carry <= temp_carry;end process;end behavior;```上述VHDL代码定义了一个名为`binary_adder`的实体，它有两个4位输入`a`和`b`，一个5位输出`sum`和一个单一位输出`carry`。
VHDL与Verilog语言
VHDL与Verilog语言VHDL（VHSIC hardware description language）和Verilog是用于电子系统设计的硬件描述语言（HDL）。
这两种语言被广泛应用于数字逻辑设计和仿真，以及硬件描述、验证和综合。
1. VHDL（VHSIC hardware description language）VHDL是一种结构化的硬件描述语言，最初由美国国防部高速集成电路计划办公室（VHSIC，Very High Speed Integrated Circuits）开发。
VHDL以其强大的功能和灵活性而闻名，并被广泛用于数字系统的设计和验证。
VHDL的编写包括实体（Entity）和体（Architecture）两个主要部分。
实体部分描述了数字系统的输入输出接口、信号和组件的声明，而体部分描述了实体的内部结构、信号处理和逻辑功能。
VHDL具有丰富的数据类型、运算符和控制结构，可以方便地描述数字电路的行为和结构。
它还提供了强大的仿真和验证功能，使设计人员能够在开发和测试阶段快速迭代和调试设计。
2. VerilogVerilog是一种硬件描述语言，最初由Gateway Design Automation公司（现在是Cadence Design Systems的一部分）开发。
Verilog以其简洁的语法和易学易用的特性而受到广泛欢迎，并成为工业界标准。
Verilog的设计由模块（Module）组成，每个模块描述了一个黑盒子，包含输入和输出端口以及内部的逻辑功能。
模块可以进行层次化组合，从而实现较复杂的系统级设计。
Verilog的语法类似于C语言，具有类似的数据类型、运算符和控制结构。
它还提供了时序建模的能力，使设计人员能够描述数字电路的时序行为。
3. VHDL与Verilog的比较VHDL和Verilog在语法和功能上有一些区别，但它们都可以用于数字电路的设计和仿真。
以下是它们之间的一些比较：3.1 语法风格VHDL采用结构化的编程风格，需要明确的体、过程和信号声明，可以更好地控制和描述系统的结构和行为。
《VHDL硬件描述语言》课程教学大纲
《VHDL硬件描述语言》课程教学大纲课程代码：ABJD0414课程中文名称: VHDL硬件描述语言课程英文名称：Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language课程性质：必修课程学分数：2学分课程学时数：32学时授课对象：自动化专业本课程的前导课程：电路，模拟电子，C语言程序设计一、课程简介本课程是电类专业的专业基础课，要求学生通过本课程的学习和实验，初步掌握常用EDA工具的使用方法、FPGA的开发技术以及VHDL语言的编程方法。
能比较熟练地使用QuartusII等常用EDA软件对FPGA和CPLD作一些简单电路系统的设计，同时能较好地使用VHDL语言设计简单的逻辑电路和逻辑系统，学会行为仿真、时序仿真和硬件测试技术，为现代EDA工程技术的进一步学习，ASIC器件设计以及超大规模集成电路设计奠定基础。
作为一门专业基础课，除了为现代电子线路课程，软件无线电课程奠定理论和实践方面的基础外，还是其他一些课程的先修课，如微电子导论、现代ASIC设计、硬件描述语言仿真/综合器设计、大规模集成电路设计等。
二、教学基本内容和要求（一）概论介绍现代EDA技术，VHDL概况，介绍自顶向下的系统设计方法以及FPGA和CPLD的基本技术，要求对现代EDA技术及实现工具的使用方法和发展情况有一初步了解。
重点与难点：EDA技术的设计工具（二）EDA设计流程及工具首先介绍基于EDA软件的FPGA/CPLD开发流程和ASIC设计流程，然后分别介绍与这些设计流程中各环节密切相关的EDA工具软件，最后简述QuartusII的基本情况和IP。
重点与难点：EDA仿真设计流程。
（三）FPGA/CPLD结构与应用主要介绍几类常用的大规模可编程逻辑器件的结构和工作原理。
对CPLD的乘积项原理和FPGA的查找表原理分别进行剖析。
最后介绍相关的编程下载和测试技术。
重点与难点：FPGA/CPLD的工作作原理及编程技术。
VHDL硬件描述语言(2)完
3.4.1 对象与赋值语句
1、VHDL中常用的 5 种对象： 1）简单名称，如 my_var; 2）索引名称，如 my_array_var(3); 3）片断名称，如 my_array_var(3 to 6); 4）记录域名，如 my_record.a_field; 5）集合，如(my_var1, my_var2)。 所有对象均分为：变量和信号 对象 ：= 表达式； -- 变量赋值 对象 < = 表达式； -- 信号赋值 要求：表达式的值必须与对象的类型、宽度一致。
output: out std_logic_vector(2 downto 0)); end coder;
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architecture art of coder is begin process(input) begin if input(7)=„0‟ then output<=“000”; elsif input(6)=„0‟ then output<=“001”; elsif input(5)=„0‟ then output<=“010”; elsif input(4)=„0‟ then output<=“011”;
when
when
值 => 顺序处理语句；
值 to 值 => 顺序处理语句；
when
值|值|值|…|值 => 顺序处理语句；
以上三种方式的混合；
when
others => 顺序处理语句；
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Case 语句使用注意：
1）分支条件的值必须在表达式的取值范围内。 2）两个分支条件不能重叠。 3）CASE语句执行时必须选中，且只能选中 一个分支条件。
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2、 case 语句
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
主要内容 1.0 关于EDA技术 1.1 传统硬件设计方法 1.2 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 1.3 利用VHDL语言设计硬件电路的优点
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1.3 利用VHDL言设计硬件电 路的优点
优点： 1。设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 2。系统硬件描述能力强 3。VHDL语言可以与工艺无关编程 4。VHDL语言标准、规范、易于共享和复
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1.1 传统硬件设计方法
主要特征： 1. 采用自下自上(Bottom Up)的设计方法 2. 采用通用的数字逻辑器件 3. 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试 4. 主要设计文件是电原理图
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第1章数字系统硬件设计概述
主要内容 1.0 关于EDA技术 1.1 传统硬件设计方法 1.2 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 1.3 利用VHDL语言设计硬件电路的优点
VHDL语言只是硬件描述语言家族中的一 员硬件描述语言有数十种之多，常用的 有VHDL、Verilog HDL、ABEL_HDL。
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
硬件描述语言设计的特点： 1.采用自上至下的设计方法
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
行为描述举例：【实例1-1 】 结构描述举例：【实例1-2 】 注意： 1。该程序要通过必须要有包集合NEW的存在才行，且所有用到的元件必须
还要对这一程序可能耗费的硬件资源有一明确的估计； 5. 学习过程中，要善于总结经验，尽可能地了解软件语句与硬件
结构间的联系，在实践过程中，提高通过驾御软件语句来控制 硬件构成的能力。
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硬件描述语言及应用
学习方法和目的： 1.加强数字电路知识的复习，尤其是可编程逻辑器件部分； 2.掌握VHDL语言结构、数据类型、语法规则、描述风格和编程
在NEW中存在； 2。如果将dff、djk、and2、nor2的VHDL描述添加在设计中，不要用关
键字and2、nor2等，因此在其后面加一个字符“q”以示区分； 3。每一个触发器或门电路的VHDL描述可单独存为一个磁盘文件，文件名
必须与实体名相同，也可直接放在顶层设计中； 4。在EDA软件的层次视图中可清晰的看出设计的不同层次； 1.2 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 1.采用自上至下的设计方法 2.系统中大量采用ASIC芯片 3.采用系统早期仿真 4.降低了硬件电路设计的难度 5.主要设计文件是HDL源程序 实用文档
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1.0 关于EDA技术
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第1章数字系统硬件设计概述
主要内容 1.0 关于EDA技术 1.1 传统硬件设计方法 1.2 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 1.3 利用VHDL语言设计硬件电路的优点
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1.1 传统硬件设计方法
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1.1 传统硬件设计方法
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1.1 传统硬件设计方法
硬件描述语言及应用
宋潇 电子科学与技术系 10-408
13007553002 lysx403@
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硬件描述语言及应用
教材：《VHDL硬件描述语言与数字逻 辑电路设计》(修订版、侯伯亨)
参考书： 1、 《 EDA技术与VHDL》，潘松，黄继
业.北京.清华大学出版社.2007 2、VHDL数字电路设计教程，电子工业出
2. EDA技术的主要内容
1）大规模可编程逻辑器件
2）硬件描述语言(HDL)
3）软件开发工具
4）实验开发系统
3. EDA软件系统的构成
1）设计输入子模块
2）设计数据库子模块
3）分析验证子模块
4）综合仿真子模块 5）布局布线子模块
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1.0 关于EDA技术
4. EDA设计流程 1）源程序的编辑和编译--------行为级描述 原理图输入方式 状态图输入方式 VHDL软件程序的文本方式 2）逻辑综合和优化--------行为级优化与RTL级描述 的转化 3）目标器件的布线／适配 4）目标器件的编程／下载 5）设计过程中的有关仿真 6）硬件仿真／硬件测试
2. 本课程学习的设计方法主要是用软件进行硬件的设计与仿真， 与数字电路中学习的方法有本质不同，但为了更好的掌握 VHDL设计方法，必须要熟悉和掌握数字电路各方面硬件电路 的知识；
3. VHDL语言是一种并行语言，是不同于传统的软件编程语言的； 4. 在VHDL程序设计中，除了考虑通过编程实现指定逻辑功能外，
版社， [巴西]Volnei A. Ped时：48学时（3学分）, 其中 讲授：30学时 上机：18学时 内容：教材的第1、3、4、5、6、8章，
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硬件描述语言及应用
1.EDA技术是一门涉及多学科的综合性技术，内容广泛，本课程 主要学习VHDL语言和应用该语言进行数字系统设计的方法；
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
什么是硬件描述语言？ 就是可以描述硬件电路的功能、信号
连接关系以及定时关系的语言。它能比 电原理图更有效地表示硬件电路的特性。
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
(a)电原理图表示
(b)VHDL语言描述
二选一数据选择器
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1.2 利用VHDL语言的硬件电 路设计方法
主要内容 1.0 关于EDA技术 1.1 传统硬件设计方法 1.2 利用VHDL语言的硬件电路设计方法 1.3 利用VHDL语言设计硬件电路的优点
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1.0 关于EDA技术
1. EDA技术的含义
以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描 述的主要表达式，以计算机为设计工具，在EDA软件平台上完成设计文 件的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、 逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工 作。
原理； 3.进一步熟悉和掌握EDA软件MAX+PLUS II； 要求： 1.保持良好的教学秩序； 2.要有1.5—2倍教学时数的复习和作业时间，有条件的同学要多
上机练习，达到验证设计的目的。 3.每个班指定一课代表或班长或学习委员，负责联系实验、购买
教材、课程设计指导书、收发作业等。
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第1章数字系统硬件设计概述