VHDL语言与数字集成电路设计
数字逻辑原理与VHDL设计课程设计
数字逻辑原理与VHDL设计课程设计一、课程设计背景数字逻辑原理与VHDL设计是数字集成电路设计专业中的一门重要基础课程，内容涵盖数字电路基础知识、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计以及数字电路综合和优化等方面。
本课程设计旨在以实践为主，巩固和加深学生的理论知识，提高学生综合运用数字逻辑原理和VHDL语言进行数字电路设计的能力。
二、实验目的通过本次课程设计，要求学生对数字逻辑原理及其应用有更加深入的认识，并掌握以下专业能力：1.掌握数字逻辑电路的基本知识与方法，以及基于VHDL设计数字电路的基本步骤与方法；2.能够运用数字逻辑原理及VHDL语言进行简单数字电路的设计、仿真、综合和下载；3.能够独立进行数字电路设计并解决设计过程中遇到的问题。
三、实验设备和工具1.Xilinx Vivado软件，用于数字电路的综合和仿真；2.FPGA开发板，用于数字电路的下载和实现；3.电脑，用于Vivado软件的安装和使用。
四、实验内容和步骤实验一函数计算器的设计与实现实验目的通过设计一个函数计算器，深入理解组合逻辑电路的设计、实现和仿真过程，同时练习使用VHDL语言进行数字电路的编写、仿真和下载。
实验内容设计一个函数计算器，能够计算并显示四个前缀表达式，包括：–23 45–11 + 22 * 33–23 - 45 / 561./ 45 + 67 - 89其中，加减乘除的运算需要满足基本的优先级规则，即在没有括号的情况下，先乘除后加减。
实验步骤1.设计并编写函数计算器的VHDL代码，包括各种运算模块、数字选择器、显示器控制器等；2.在Vivado软件中进行仿真，验证函数计算器设计的正确性；3.将函数计算器设计综合成比特流文件，下载到FPGA开发板上进行实现和测试。
实验二五位计数器的设计与实现实验目的通过设计一个五位同步加法计数器，深入理解时序逻辑电路的原理、设计和实现过程，同时掌握VHDL语言对时序电路进行设计、仿真和下载的方法。
超高速集成电路硬件描述语言 VHDL
第八章 超高速集成电路硬件描述语言VHDL
第二节 VHDL数据类型和属性
一、VHDL操作目标 VHDL操作目标
目标：是一个或多个代表着目标种类的字符串， 目标：是一个或多个代表着目标种类的字符串，多个目 标时用“ 号分开。 标时用“，”号分开。 表达式：规定目标的初始值，这是缺省部分。 表达式：规定目标的初始值，这是缺省部分。 目标类型：规定目标的特征，VHDL含有很宽范围的数据类 目标类型 ：规定目标的特征， 含有很宽范围的数据类 型 ， 可 以 是 自 定 义 类 型 。 定义方法： 类型名> IS < 类型范围 ; 类型范围> 定义方法 ： TYPE < 类型名 VHDL有大量与类型兼容的有关规则： 有大量与类型兼容的有关规则： 有大量与类型兼容的有关规则 1. 赋予目标的表达式数据类型必须和目标数据类型相同； 赋予目标的表达式数据类型必须和目标数据类型相同； 2. 许多预先确定的运算符的操作数必须具有相同的类型； 许多预先确定的运算符的操作数必须具有相同的类型； 3. 一个实体的类型和它连接到的形式的类型相同。 一个实体的类型和它连接到的形式的类型相同。
性。 ARCHITECTURE kxor_arc OF kxor IS 结 结 结 BEGIN 构 构 构 体 体 c1 <= (NOT a1 AND b1) OR (a1 AND NOT体 b1);
1 2 n
END kxor_arc;
第八章 超高速集成电路硬件描述语言VHDL
第一节 VHDL的基本组成
第八章 超高速集成电路硬件描述语言VHDL
VHDL 概 述
一、 硬件描述语言
◆ AHDL ◆ HIHDL——TEXAS ◆ DSL——Lattice ◆ Verilog——Gataway Design Automayion IEEE标准 标准 ◆ VHDL 美国国防部在80年代初提出了 美国国防部在 年代初提出了VHSIC（ Very High Speed （ 年代初提出了 Integrated Circuit）计划，其目标之一是为下一代集成电路的 ）计划， 生产，实现阶段性的工艺极限以及完成10万门级以上的设计 万门级以上的设计， 生产，实现阶段性的工艺极限以及完成 万门级以上的设计， 建立一项新的描述方法。 年提出了一种新的HDL，称之为 建立一项新的描述方法。1981年提出了一种新的 年提出了一种新的 ， VHSIC Hardware Description Language，简称为 ，简称为VHDL。 。
VHDL数学运算
VHDL数学运算VHDL是一种硬件描述语言，可以用于实现数字电路和系统级集成电路设计。
在数字电路和系统级集成电路中，数学运算是一个非常重要的部分。
VHDL可以支持各种数学运算，包括加、减、乘和除等基本运算，以及三角函数、指数函数和对数函数等高级运算。
在VHDL中，基本的加、减、乘和除运算可以使用算术运算符实现。
例如，加法可以使用“+”运算符实现，如下所示：signal a, b, c : std_logic_vector(3 downto 0);c <= a + b;这个代码片段将a和b两个信号相加，并将结果存储在c信号中。
类似地，减法可以使用“-”运算符实现，乘法可以使用“*”运算符实现，除法可以使用“/”或“mod”运算符实现。
除此之外，VHDL还支持各种高级数学函数，例如三角函数、指数函数和对数函数等。
这些函数可以通过VHDL中提供的库函数来实现。
例如，可以使用“sin”函数来计算正弦值，如下所示：signal angle : real;signal sine : real;sine <= sin(angle);此外，VHDL还支持各种数学库函数，例如幂函数、平方根函数和绝对值函数等。
这些函数可以帮助设计人员轻松地实现各种复杂的数学运算和算法。
例如，可以使用“pow”函数来计算任意数的幂，如下所示：signal base : real;signal exponent : integer;signal result : real;result <= pow(base, exponent);总之，VHDL的数学运算功能非常强大，可以帮助设计人员轻松地实现各种数字电路和系统级集成电路的数学运算和算法。
设计人员应该熟练掌握VHDL的数学运算功能，以便能够高效地进行设计和开发工作。
VHDL进行数字系统设计的优点—38~40
东北大学硕士学位论文
第四章ＥＤＡ技术和可编程逻辑器件
质的器件产品。此外，由于工艺技术的进步，需要采用更先进的工艺时，仍可以采用原
来的ＶＩ－ＩＤＬ代码。
所以本文采用ＶＨＤＬ语言实现此数字系统的设计。
一４０一
便于保存，可继承性好，阅读方便。
（５）ＶＨＤＬ语言可以与工艺无关编程
在用ＶＨＤＬ语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息，其综合生成的是一
种标准的电子设计互换格式文件，它独立于采用的实现工艺。有关工艺参数的描述叫。通 过ＶＨＤＬ语言提供的属性包括进去，然后利用／ｆｉ同Ｊ家的布局布线工具，使设计映射成 不同工艺，在不同的芯片上实现。这使得工程师在功能设计、编辑、验证阶段，可以不 必过多地考虑工艺实现的具体细节。 （６）方便ＡＳＩＣ移植 ＶＨＤＬ语言的效率之一，就是如果你的设计是被综合到一个ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ的话， 则可以使你设计的产品以最快的速度上市。当产品的产量达到相当的数量时，采用 ＶＨＤＬ进行的设计很容易转换成专用集成电路来实现，仅仅需要更换不同的库重新进行 综合就可以．由于ＶＩ＇Ｋ）Ｌ是一个成熟的硬件描述语言，可以确保ＡＳＩＣ厂商交付优良品
东北大学硕士擘位论文
第四幸ＥＤＡ技术和可缟程逻辑器件
仿真全部通过为止。有效利用仿真工具及仿真手段可以极大地缩短系统的调试时间［３０１。 ４．４
ＶＨＤＬ语言及数字系统设计方法
可编程逻辑器件和ＥＤＡ技术给今天的硬件系统设计者提供了强有力的工具，使得
数字系统的设计方法发生了质的变化，基于硬件描述语言的设计方法正在成为数字系统 设计的主流。同时，数字系统的设计方法也由过去的那种由集成电路厂家提供通用芯片， 整机系统用户采用这些芯片组成电子系统的“Ｂｏｔｔｏｍ－ｕｐ”（自底向上）设计方法改变为 一种新的“Ｔｏｐ－ｄｏｗｎ”（自顶向下）设计方法【３ｌｌ。
VHDL
1.3 VHDL的作用
HDL打破软、硬件的界限 传统的数字系统设计分为：
硬件设计（硬件设计人员）
软件设计（软件设计人员） 是硬件设计者和 EDA工具之间的界面
EDA工具及 HDL的流行，使电子系 统向集成化、大规模和高速度等方向发 展。 美国硅谷约有80%的 ASIC和 FPGA/CPLD已采用 HDL进行设计。
一般情况下 USE定义区的格式写成
LIBRARY IEEE； USE IEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
2.2 实体声明
实体声明：定义系统的输入输出端口
语法：
ENTITY <entity_name> IS Generic Declarations（类属表）； Port Declarations（端口表）； END <entity_name>; (1076-1987 version) END ENTITY <entity_name> ; ( 1076-1993 version)
子类型声明；常量声明。
END <包名> ; (1076-1987) END PACKAGE BODY <包名> ; (1076-1993)
例：程序包声明
2、 库
含义：存放预先完成的程序包和数据集合体 的仓库，包含了包或包的汇集 格式：LIBRARY 库名； 种类： STD 库（默认库） IEEE库 WORK库（默认库） 面向ASIC的库 用户定义库
硬件描述语言VHDL
1 概述
1.1 什么是VHDL（HDL）？
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。
数字集成电路分析与设计深亚微米工艺第三版课程设计
数字集成电路分析与设计深亚微米工艺第三版课程设计一、概述本文主要介绍数字集成电路分析与设计深亚微米工艺第三版课程设计。
本设计主要涉及数字集成电路设计的各个方面，包括数字逻辑设计、计算机组成原理、数字信号处理等。
本设计旨在深入探究数字电路和集成电路的设计和工艺细节，从而提高学生的专业技能和实践能力。
二、设计内容本次设计主要分为以下几个部分：1. 数字逻辑电路设计在本部分中，学生需要根据题目要求，设计数字逻辑电路的电路图和真值表，同时需要手动编写数字逻辑电路的代码，并利用VHDL语言进行编程实现。
本部分要求学生熟练掌握数字逻辑电路的设计方法和VHDL语言的编程技巧。
2. 计算机组成原理在本部分中，学生需要设计一个基于FPGA的计算机组成原理的电路图和真值表，并利用VHDL语言进行编程实现。
本部分要求学生深入理解计算机组成原理的设计思想，并熟练掌握FPGA电路设计和VHDL编程的技巧。
3. 数字信号处理在本部分中，学生需要设计一个数字信号处理的电路图和真值表，并利用Python语言进行编程实现。
本部分要求学生掌握数字信号处理的基本原理和算法，以及Python语言的编程技巧。
三、课程目标通过本次课程设计，学生应该达到以下目标：1. 掌握数字电路和集成电路的设计和工艺细节本设计涉及数字电路和集成电路的多个方面，要求学生深入理解电路设计和工艺细节，从而能够熟练掌握数字电路和集成电路的设计方法和实现流程。
2. 提高学生的专业技能和实践能力本设计要求学生进行实际的电路设计和编程实现，从而加深对数字电路和集成电路的理解和掌握。
通过实践，学生能够提高自己的专业技能和实践能力，为将来的工作打下坚实的基础。
3. 培养学生的团队合作和创新能力本设计要求学生分组进行合作，通过协作和交流，提高团队合作和创新能力。
学生需要思考如何在电路设计和编程实现中，发挥个人和团队的优势，提高工作效率。
四、总结数字集成电路分析与设计深亚微米工艺第三版课程设计，旨在提高学生的数字电路和集成电路设计能力，同时培养学生的实际操作能力和团队合作能力。
vhdl语言
VHDL语言简介VHDL（VHSIC Hardware Description Language）即可高速集成电路硬件描述语言，是一种用于描述数字系统和电路的硬件描述语言。
它在1981年由美国国防部的高速集成电路联合委员会（VHSIC）开发，用于设计大规模集成电路。
VHDL是一种面向对象的语言，可以用于描述各种数字系统，从简单的逻辑门到复杂的处理器。
它提供了丰富的语法和语义，使得设计人员可以准确地描述他们的电路和系统。
VHDL的优势VHDL作为一种硬件描述语言，在数字系统设计中具有许多优势。
1.可重用性：VHDL允许设计人员创建可重用的模块和子系统，这些模块和子系统可以在不同的项目中重复使用，提高了设计效率和可维护性。
2.仿真和验证：VHDL具有强大的仿真和验证能力，可以在设计之前对系统进行全面的仿真和验证。
这有助于检测和纠正潜在的问题，并确保系统在硬件实现之前达到预期的功能。
3.抽象级别：VHDL允许设计人员在不同的抽象级别上描述系统，从高级的行为级别到底层的结构级别。
这使得设计人员可以根据需要在不同的级别上工作，并且可以更容易地进行系统级别的优化。
4.灵活性和可扩展性：VHDL支持灵活的设计方法和工作流程，并允许设计人员在设计过程中进行迭代和修改。
它还可以与其他常用的设计工具和方法集成，以满足特定的需求。
VHDL语言的基本结构VHDL语言由模块、实体、架构以及信号和过程等基本元素组成。
模块（Module）模块是VHDL中描述数字系统的最基本单位。
一个模块可以包含多个实体和架构，并通过连接信号进行通信。
每个模块都有一个顶层实体和一个或多个架构。
实体（Entity）实体是描述模块的接口和行为的抽象。
它定义了输入输出端口，以及模块对外部环境的接口。
一个实体可以有一个或多个架构。
架构（Architecture）架构描述模块的具体行为和内部结构。
它定义了模块的内部信号和过程，以及对外部信号和过程的接口。
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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)
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Βιβλιοθήκη 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
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
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
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：
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
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。
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。
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。
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；
采用实体（entity）描述模块的外部端口
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;
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）
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;
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)