VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 (2)[85页]
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 (5)[88页]
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第5章 VHDL构造体的描述方式
5.1 构造体的行为描述方式 5.2 构造体的寄存器传输(RTL)描述方式 5.3 构造体的结构描述方式 习题与思考题
第5章 VHDL构造体的描述方式
5.1 构造体的行为描述方式
什么样的描述属于行为描述方式，这一点目前还没有确 切的定义，所以在不同的书刊中，对相同或相似的某些用 VHDL描述的逻辑电路的程序有不同的说明。有的说明为行 为描述方式，有的说明为寄存器传输描述方式。但是，有一 点是明确的，行为描述方式是对系统数学模型的描述，其抽 象程度比寄存器传输描述方式和结构描述方式更高。
第5章 VHDL构造体的描述方式
5.1.2 延时语句 在VHDL中存在两种延时类型：惯性延时和传输延时。
这两种延时常用于VHDL的行为描述方式。 1．惯性延时 在VHDL中，惯性延时是缺省的，即在语句中如果不作
特别说明，产生的延时一定是惯性延时，这是因为大多数器 件在行为仿真时都会呈现这种惯性延时。
第5章 VHDL构造体的描述方式
第5章 VHDL构造体的描述方式
在例5-2中用了两个语句：第一个语句是选择语句，第 二个语句是代入语句。这两个语句是条件代入类型语句。也 就是说，只有WHEN后面所指定的条件得到满足时，指定的 代入值才被代入信号量sel或输出量q。
当第一个语句执行时，将使用选择信号。根据选择信号 sel的当前值，后跟的5种状态下的值i0～i3、'X' 中的一个值 将通过输出端口q输出。在正常情况下，q端将选择i0～i3之 一输出，在非正常情况下将输出 'X' 值。
第5章 VHDL构造体的描述方式
几乎所有器件都存在惯性延时，因此，硬件电路的设计 人员为了逼真地仿真硬件电路的实际工作情况，在代入语句 中总要加上惯性延时时间的说明。例如：
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。
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计(第五版)侯伯亨章 (2)
第2章 数字系统的算法描述
2．乘法器 乘法器可实现的算法很多。2个4位数乘法的运算过程如表 2-1所示。
第2章 数字系统的算法描述
表中有一个9位寄存器，低4位存放乘数。如果乘数的最低 位(寄存器的最低位)为“1”，则将被乘数加到寄存器的b4～ b7位上；如果为“0”，则不作加法，然后向右移一位。再重 复上述过程，直至将乘数全部移出9位寄存器为止(此例中要移 4位)。将这种算法的运算过程用算法流程图来描述，如图27(a)所示，与该算法流程图对应的硬件电路框图如图2-7(b)所 示。
第2章 数字系统的算法描述
2.2 状态机及算法状态机图描述
众所周知，数字系统由控制单元和处理单元两大部分组成。 控制单元在统一的同步时钟控制下，严格按照一定的时间关系 输出控制信号；处理单元一步一步地完成整个数字系统的操作。 这种工作过程用算法流程图是无法正确描述的。 面介绍一种用于描述控制器工作过程的方法，即算法状态机图 (Algorithmic State Machine Flowchart，ASM图)描述方法。
说明该工作框所对应的硬件操作内容及对应的输出信号。
图2-2 工作框
第2章 数字系统的算法描述
(a) 工作框；(b) 对应的逻辑电路 图2-3 工作框与硬件之间的对应关系
第2章 数字系统的算法描述
通常算法流程图与硬件功能有极好的对应关系。也就是说， 一个工作框的功能应该很容易地映射成为一个较基本的逻辑电 路。图2-3(a)描述两个二进制数a和b相加，其结果为输出c的 工作框；图2-3(b)则是实现该工作框功能的逻辑电路。在设计 数字系统时，如用算法流程图描述其功能，则总要经历由粗至 细逐步细化的过程。所以，在数字系统描述的初期，一个工作 框的功能不一定完全能用一个逻辑电路来实现。但是，随着描 述的逐步细化，设计者应考虑每一个工作框的可实现性，只有 这样，算法流程图最后才能被综合成逻辑电路。
VHDL硬件描述语言 第四讲 VHDL语言的主要描述语句(2)
5
并发过程调用
并发过程调用语句是一个过程调用进程的简写，可以出现 在构造体中或者在进程之外执行。 NOTE: 并发过程调用语句是一个完整的语句，前面可以加标号； 并发过程调用语句应带有IN,OUT或者INOUT的参数（位于 过程名后跟的括号内）； 并发过程调用可以有多个返回值，但必须通过过程中定义的 输出参数带回。 ARCHITECTURE ……
电平上升沿补足电路
VCC PRN PRN
参见P154的 表7－7
IN
D
Q
D
Q
TMPOUT
CLK CLR
CLK CLR
CLK
VCC
OUT
IN
CLK
TMPOUT OUT
再见
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4
选择信号代入
与CASE语句类似，对表达式进行测试。 WITH 表达式 SELECT 目的信号量<=表达式 1 WHEN 条件1， 表达式 2 WHEN 条件2， …………… 表达式 n WHEN 条件n;
例:
ENTITY mux4 IS PORT(i0,i1,i2,i3,a,b:IN STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC); END mux; ARCHITECTURE behav OF mux IS SIGNAL sel: INTEGER; sel<= 0 WHEN a=‘0’ AND b=‘0’ ELSE BEGIN 1 WHEN a=‘1’ AND b=‘0’ ELSE WITH sel SELECT 2 WHEN a=‘0’ AND b=‘1’ ELSE q<=i0 WHEN 0, 3 WHEN a=‘1’ AND b=‘1’ ELSE i1 WHEN 1, 4; I2 WHEN 2, END behav I3 WHEN 3, ‘X’ WHEN OTHERS;
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 (10)[175页]
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第10章 数字系统的实际设计技巧
10.1 数字系统优化的基本方法 10.2 数字系统设计中的工程实际问题 习题与思考题
第10章 数字系统的实际设计技巧
10.1 数字系统优化的基本方法
10.1.1 相同电路的处理 在系统设计的前期，设计人员不一定预先知道有多处存
在着相同的运算电路，只有在画出电路框图后才会发现它们 的存在。例如在图10-1(a)中，2个状态都需进行B+1运算， 要正确实现其功能需要3个B+1的运算电路。但是，进行优 化以后实际上只要用1个B+1的运算电路就可以实现正确的 逻辑功能，如图10-1(b)所示。
另外，冗余的电路会使电源消耗增加，电路工作速度降 低，同样也会增加布线困难。
其次，无论使用什么样的EDA软件工具，总希望综合 得到性能良好的电路。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第10章 数字系统的实际设计技巧
不同的EDA软件综合所得到的电路会有一些差别。但 是，只要使用上述方法进行优化，去除整体部分的冗余电路， 最后得到的优化结果就不会相差太远。最后，根据实践表明， 电路规模愈大，其存在的冗余也会愈大。例如，在对数据进 行处理时，要对几十至几百行的C语言程序进行硬化，这对 于程序来说可能是小规模的，但是对于硬件来说其规模就不 小了。假设该程序有几十个数组，含有100个32位的整数变 量。这些变量用硬件寄存器来实现，那么需要的门数量为
如图10-3(a)所示，优化前的程序清单如下：
第10章 数字系统的实际设计技巧
第10章 数字系统的实际设计技巧 如图10-3(b)所示，优化后的VHDL程序清单如下：
第10章 数字系统的实际设计技巧
第10章 数字系统的实际设计技巧
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版教学设计
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版教学设计简介数字逻辑电路设计是电子信息工程专业的重要基础课程之一，是电子技术、计算机科学与技术等专业的核心课程。
数字电路的设计需要借助硬件描述语言，VHDL 是目前广泛应用的硬件描述语言之一。
本教学设计旨在帮助学生掌握VHDL语言的基本语法和使用方法，同时培养学生的数字电路设计能力，提高学生的实践应用能力。
教学目标1.掌握VHDL硬件描述语言的基本语法和编写方法；2.理解数字电路的基本原理和设计思路；3.初步掌握数字电路的设计方法和工具；4.能够运用所学知识设计、测试和验证数字电路。
教学内容第一周：数字电路基础1.数字电路的概念、分类和特点；2.布尔代数和逻辑运算；3.基本逻辑门及其特性。
第二至三周：VHDL简介及基本语法1.VHDL语言的概述和发展历程；2.VHDL语言中的数据类型和运算符；3.VHDL中模块的定义和实例化。
第四至五周：VHDL的结构体和数组1.VHDL结构体的定义和使用；2.VHDL数组的定义和使用；3.VHDL中多维数组的定义和使用。
第六至七周：VHDL数字电路建模1.VHDL中数字电路的建模方法；2.VHDL中数字电路的测试和验证方法。
第八周：VHDL数字电路实验1.VHDL数字电路设计实验的概述；2.VHDL数字电路设计实验的设计和验证。
教学方法本教学设计旨在培养学生的实际应用能力，故采用以实验为主、教学和实验相结合的教学模式。
在课堂讲授的基础上，设置数次小型实验和1次大实验，要求学生按照规定的实验内容和实验要求，独立完成实验。
实验内容1.VHDL模块的设计和仿真；2.VHDL数字电路的设计、仿真和验证；3.VHDL数字电路的综合和布局。
教学评价本教学设计采用多种评价方式，包括课堂表现、小型实验、大型实验和综合评价等。
其中，大型实验占据了60%以上的实验分数，要求学生在指定的时间内，完成从数字电路建模到综合布局的全部环节，并提交完整的实验报告。
数字电路与逻辑设计课件08硬件描述语言 VHDL
数字电路与逻辑设计第⼋章硬件描述语⾔ VHDL ⽬录8.1VHDL程序结构8.2VHDL的数据对象、数据类型及操作符8.3VHDL基本语句PART 018.1概述VHDL（Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language）语⾔是⽬前电⼦设计的主流硬件描述语⾔。
该语⾔具有很强的电路描述和建模能⼒，主要⽤于描述数字系统的结构、⾏为、功能和接⼝。
将实体与结构体同⼀块集成电路芯⽚作类⽐，实体描述的是这块芯⽚的外部特征，即此芯⽚有哪些引脚（实体中称为端⼝），这些引脚有怎样的属性；结构体描述的是此芯⽚内部的电路。
1.实 体实体语句：类属说明语句：端⼝说明语句：（2）（1）（3）1.结构体结构体语句：结构体说明语句：对结构体的功能描述语句中涉及的信号、数据、常数、元件、函数和过程等加以说明。
功能描述语句：对结构体的内部结构作⾏为描述、结构描述和数据流描述。
功能描述语句包括进程语句、信号赋值语句、⼦程序调⽤语句、元件例化语句和块语句等。
（2）（1）（3）库是 VHDL 程序设计的公共资源，可以把库看成是⼀种⽤来存储预先完成的程序包、数据集合体和元件的仓库。
为了使已定义的常数、数据类型、元件调⽤说明以及⼦程序能被其他的设计实体⽅便地访问和共享，可以将它们收集在⼀个 VHDL 程序包中。
1. 库（library）：2.程序包（package）：（1）程序包由包⾸和包体组成，其⼀般格式为：2.程序包（package）：3.配置（configuration）：配置可以把特定的结构体指定给⼀个确定的实体。
通常在⼤⽽复杂的VHDL ⼯程设计中，配置语句可以为实体配置⼀个结构体。
8.2VHDL 的数据对象、数据类型及操作符PART 021.数字（1）⼗进制数：⼗进制整数表示⽆⼩数点，⼗进制实数表示要加⼩数点。
整数：0，12，386，23E3（＝23000），87_123（＝87123）实数：0.05，1.0，3.14，2.3E-3（＝0.0023），34_5.5_43（＝345.543）（2）各种进制数据的表示：⽤该进制的基、数和指数三部分表示之，即“基 # 数 # 指数”。
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版课程设计
VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版课程设计一、前言VHDL硬件描述语言作为一种定义数字电路和计算机应用领域的硬件的语言，被广泛使用。
数字逻辑电路是计算机系统中的基础，是计算机组成原理中十分重要的课程，学习数字逻辑电路对于理解计算机的工作原理、编写程序和实现硬件都是至关重要的。
本次课程设计对VHDL硬件描述语言和数字逻辑电路设计进行了修订。
二、设计目的通过数字逻辑电路和VHDL硬件描述语言的基本概念的学习，使学生了解数字逻辑电路的原理和设计方法，掌握VHDL硬件描述语言的基本语法和使用方法，提高学生的分析和设计能力。
三、设计内容1.数字逻辑电路基础知识：包括数字逻辑基本概念、编码器、解码器、多路选择器、多路复用器、加法器、减法器、比较器等概念和电路图。
2.VHDL硬件描述语言基本概念：包括VHDL的发展简史、VHDL基本语法、数据类型、程序结构等内容。
3.VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用：包括VHDL编程环境（Xilinx软件的使用、仿真、下载）、VHDL的数据类型和运算符及实现方法、数字电路的建模方法等。
4.VHDL应用：以课程要求的特定数字逻辑电路为例，使用VHDL进行模块的建立、仿真、综合和下载。
完成数字逻辑电路的设计。
四、设计流程1. 数字逻辑电路基础知识的学习在课堂上，通过理论讲解和实例分析，学习数字逻辑电路的基本概念，并进行相关电路图的学习。
2. VHDL基础的学习通过理论讲解和实例分析，学习VHDL的基础知识，掌握VHDL的基本语法、数据类型和程序结构，了解VHDL的发展简史和应用领域。
3. VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用通过实例分析和教学实践，学习VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用，并熟练掌握VHDL编程环境（Xilinx软件的使用、仿真、下载）、VHDL的数据类型和运算符及实现方法、数字电路的建模方法等。
4. 数字逻辑电路设计的实践以课程要求的特定数字逻辑电路为目标，使用VHDL进行模块的建立、仿真、综合和下载。
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第2章 数字系统的算法描述
(a) 算法流程图；(b) 对应的硬件框图 图2-6 4位串行加法器
第2章 数字系统的算法描述
一位全加器实现2个二进制位的相加，其输入、输出连 接如图2-6(b)所示。
需要说明的是，为简化电路，该电路的初始化未包含在 上述电路框图中。
如图2-6(a)所标明的一样，如果算法流程图描述适当， 则其各工作框和判断框等都会有较好的对应关系，这样会给 电路设计带来很大的方便。但是，毕竟算法流程图更贴近数 字系统的行为描述，当数字系统较复杂时这种对应关系就不 那么紧密了。
字说明作框
第2章 数字系统的算法描述
(a) 工作框；(b) 对应的逻辑电路 图2-3 工作框与硬件之间的对应关系
第2章 数字系统的算法描述
通常算法流程图与硬件功能有极好的对应关系。也就是 说，一个工作框的功能应该很容易地映射成为一个较基本的 逻辑电路。图2-3(a)描述两个二进制数a和b相加，其结果为 输出c的工作框；图2-3(b)则是实现该工作框功能的逻辑电路。 在设计数字系统时，如用算法流程图描述其功能，则总要经 历由粗至细逐步细化的过程。所以，在数字系统描述的初期， 一个工作框的功能不一定完全能用一个逻辑电路来实现。但 是，随着描述的逐步细化，设计者应考虑每一个工作框的可 实现性，只有这样，算法流程图最后才能被综合成逻辑电路。
第2章 数字系统的算法描述
在启动信号有效(START = 1)以前应先将乘数装入累加 器，将被乘数装入被乘数寄存器(该寄存器图中未画出)，即 初始化完毕。在启动信号有效以后，经4个时钟脉冲，乘法 操作完成，其结果将存于累加器ACC中。
如前所述，算法流程图常用于数字系统的行为描述，它 仅仅规定了数字系统的一些操作顺序，而并未对操作的时间 和操作之间的关系做出严格的规定。因而它常用于验证数字 系统数学模型的正确性，对其硬件的可实现性未作更多的关 注。
第2章 数字系统的算法描述
(a) 算法流程图；(b) 硬件电路框图 图2-7 乘法器
第2章 数字系统的算法描述
该乘法器由3大部分组成：9位长的累加器ACC、4位加 法器和1个乘法控制电路。乘法控制电路有3个输入信号和4 个输出控制信号：
(1) Load——累加器数据装载控制信号； (2) sh——累加器移位控制信号； (3) Add——累加器输出相加信号； (4) Done——乘法结束标志信号； (5) clk——时钟信号； (6) START——启动控制信号； (7) M——加被乘数控制信号。
第2章 数字系统的算法描述
2．乘法器 乘法器可实现的算法很多。2个4位数乘法的运算过程如 表2-1所示。
第2章 数字系统的算法描述
表中有一个9位寄存器，低4位存放乘数。如果乘数的最 低位(寄存器的最低位)为“1”，则将被乘数加到寄存器的 b4～b7位上；如果为“0”，则不作加法，然后向右移一位。 再重复上述过程，直至将乘数全部移出9位寄存器为止(此例 中要移4位)。将这种算法的运算过程用算法流程图来描述， 如图2-7(a)所示，与该算法流程图对应的硬件电路框图如图 2-7(b)所示。
第2章 数字系统的算法描述
图2-4 判断框
第2章 数字系统的算法描述
图2-5 条件框
第2章 数字系统的算法描述
2.1.2 算法流程图描述数字系统实例 为了熟悉算法流程图描述方法，现举几个例子加以说明。 1．串行加法器 串行加法器是利用一位加法器实现两个多位二进制数据
相加的电路。4位串行加法器的算法流程图如图2-6(a)所示， 其对应的硬件电路框图如图2-6(b)所示。该4位串行加法器电 路由5部分组成：加法控制电路、累加器、加数寄存器、一 位全加器和进位位寄存器。
第2章 数字系统的算法描述
第2章 数字系统的算法描述
2.1 数字系统算法流程图描述 2.2 状态机及算法状态机图描述 习题与思考题
第2章 数字系统的算法描述
2.1 数字系统算法流程图描述
2.1.1 算法流程图的符号及描述方法 算法流程图由若干种描述符号构成，即启动框、工作框、
判断框、条件框、结束框及有向线(带有箭头的连线)等。
第2章 数字系统的算法描述
2.2.1 状态机的分类及特点 控制器按一定时序关系产生一系列的时序控制信号，因
此它必定包含时序电路。根据时序输出信号产生的机理不同， 时序电路可以分成两类：米勒(Mealy)型和摩尔(Moore)型。
1．米勒型时序电路 米勒型时序电路的典型结构如图2-8所示。
第2章 数字系统的算法描述
第2章 数字系统的算法描述
2.2 状态机及算法状态机图描述
众所周知，数字系统由控制单元和处理单元两大部分组 成。控制单元在统一的同步时钟控制下，严格按照一定的时 间关系输出控制信号；处理单元一步一步地完成整个数字系 统的操作。这种工作过程用算法流程图是无法正确描述的。 面介绍一种用于描述控制器工作过程的方法，即算法状态机 图(Algorithmic State Machine Flowchart，ASM图)描述方法。
第2章 数字系统的算法描述
1．启动框和结束框 与程序流程图一样，启动框和结束框仅仅表示该算法流 程图的开始和结束，使读者一目了然。一般这两个框可以省 略，而以文字和箭头直接表示，如图2-1所示。
第2章 数字系统的算法描述
图2-1 启动框和结束框
第2章 数字系统的算法描述 2．工作框 如图2-2所示，工作框用一个矩形框表示，在框内用文
图2-8 米勒型时序电路的典型结构
第2章 数字系统的算法描述
第2章 数字系统的算法描述
3．判断框 判断框与程序流程图中所采用的符号一样，用菱形框来 描述。框内应给出判断量和判断条件。根据不同的判断结果， 算法流程图将确定采用什么样的后继操作。判断框必定有两 个或两个以上的后续操作，当后续操作超过3个时可以用若 干个判断框连接来描述。图2-4是用算法流程图中的判断框 描述2-4译码器的示例。图2-4中，输入为a、b，输出为y0、 y1、y2、y3，用4个判断框描述该电路的四种不同的后续操作。