FPGAVHDL硬件描述语言基础PPT课件
if (reset = ‘1’) then q <= ‘0’;
elsif (clk = ‘1’) then q <= d;
More Detail
process (clk, d, reset)
– this say that the OUTPUT change when either clk, d or reset change, if clk, d or reset not change, then maintain the output
Result
Configure the Altera Device and do on board debugging,
prototyping or production
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What do you expect from VHDL?
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Why I have a Flip-Flop not a Latch
Latch with a Sensitivity list
process (clk, d, reset)
Flip-Flop with a Sensitivity list
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VHDL Design Flow - VSAR
VHDL
Entry
Synthesis
Architecture Synthesis
Use any Text Editor to input your design
Use any VHDL Compiler to convert your language design to Gate level with optimization in term of Speed/Area To map the logic to Altera Device Architecture e.g. LUT, Carry/Cascade Chain, EAB......(further logic optimization)
Within the process excute in step-by-step
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This is a LATCH
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Entity test1 is
port (clk, d , reset : in bit;
VHDL Coding Style Target at
Performance/Delay/LC Usage
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整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
end if; end process; end test1_body;
Reset take over the control first
Clk take the control second
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– what kind of device will provide this function ?
LATCH
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process (clk)
– this say that OUTPUT change when CLK change, if clk does not change, maintain the output
q : out bit);
end test1;
architecture test1_body of test1 is
begin
process (clk)
begin
if (reset = ‘1’) then
q <= ‘0’;
elsif (clk=‘1’) then
q <= d;
d is not included in sensitivity list
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Use the Suitable Coding Style
Different coding style has different performance
OR
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Issue 1
Latch or Flipflop
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How to do the Latch
Entity test1 is port (clk, d , reset : in bit;
end if; end process;
it’s change will not change the output
end test1_body;
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I get a Flip-Flop not a LATCH
process(clk)
Q : What is the Sensitivity list use for ? A : The OUTPUT change when the Sensitivity list
change
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EDA课件第三章
tmp2:=d1 AND (NOT sel); tmp3:=tmp1 OR tmp2; tmp<=tmp3;
q<=tmp AFTER m; END PROCESS cale;
END ARCHITECTURE connect;
(2) 端口方向
端口方向用来定义外部引脚的信号方向是输入还 是输出。
凡是用“IN”进行方向说明的端口，其信号自端口 输入到构造体，而构造体内部的信号不能从该端口输 出。相反，凡是用“OUT”进行方向说明的端口，其信 号将从构造体内经端口输出，而不能通过该端口向构 造体输入信号。
实体说明
一个模块中仅有一 个设计实体。
实体 提供设计模块的接口信息，是VHDL设计电 路的最基本部分。
实体说明具有如下的结构：
ENTITY 实体名 IS
实体说明以“ENTITTY 实体名
[类属参数说明]；
IS”开始至“END ENTITTY实体 名”结束。这里大写字母表示
实体说明的框架。实际上，对
此例中的外部引脚
ARCHITECTURE connect OF mux IS SIGNAL tmp:BIT; BEGIN
cale:PROCESS(d0,d1,sel) IS VARIABLE tmp1,tmp2,tmp3:BIT;
BEGIN tmp1:=d0 AND sel;
为d0，d1，sel，q 。
库（Library）是经编译后的数据的集合，它存放包集合 定义、实体定义、构造体定义和配置定义。
设计中的子程序和 公用数据类型的集合。
程序包
IEEE标准的标准程序包 设计者自身设计的程序包
包和库具有这样的关系：多个过程和函数汇集在一起构成包 集合，而几个包汇集在一起就形成一个库。
硬件描述语言第01讲
VHDL语言载体背景：设计流程
设计输入：将设计的电路逻辑功能按照开发系统要求 的形式表达出来，有如下三种方式：
（1）原理图输入方式 适用于对系统及各部分电路很熟悉的场合。 （2）硬件描述语言输入方式
硬件描述语言是用文本方式描述设计，硬件描 述语言有ABEL、AHDL、VHDL、Verilog等，其中VHDL 和Verilog已成为IEEE标准。
类属声明：确定实体或组件中定义的局部常数。是一种端口 界面常数。 常以说明的形式放在实体或结构体前 的说明部分。它的值可由实 体外部提供。
Generic (常数名称：数据类型 [：= 缺省值] {；常数名称：数据类型 [：= 缺省值]}}； 例： generic (width : integer : = 16) ;
1.3 VHDL程序结构
基 本 结 构
1.3 VHDL程序结构
ENTITY 实体名 IS 类属声明 端口声明 END 实体名; ARCHITECTURE 构造体名 OF 实体名 IS 枚举数据类型 内部信号声明 元件声明 BEGIN 信号赋值语句 进程语句 元件例化 END 构造体名;
基 本 结 构
（3）波形输入方式
VHDL语言载体背景：设计流程
设计处理
逻辑优化：把逻辑描述转变为最适合在器件中实现的 形式，优化使设计所占用的资源最少。 逻辑综合：将多个模块化设计文件合并为一个网表文 件。 适配：确定优化后的逻辑能否与器件中的宏单元和 I/O单元适配。 分割：将大的设计分割为多个便于器件内部资源实现 的逻辑小块的形式。 布局与布线：将已分割的逻辑小块放到器件内部逻辑 资源的具体位臵并利用布线资源完成各功能块之间的 连接。 生成编程文件：生成可供器件编程使用的数据文件。
FPGA与VHDL
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点FPGA简介背景目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。
但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。
厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。
因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。
另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
CPLD与FPGA的关系早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。
CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。
CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。
CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。
CPLD是一个有点限制性的结构。
这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。
《VHDL状态机》课件
总结与展望
1 VHDL 状态机对数字电路设计的重要性
VHDL状态机能够将数字电路行为直观地表示出来，提高设计效率。
2 VHDL 状态机在工业自动化控制中的作用
VHDL状态机在自动化控制系统中扮演着重要的角色，提高系统的智能化。
3 VHDL 状态机的发展前景
随着数字电路和自动化技术的不断发展，VHDL状态机将继续发挥重要作用。
《VHDL状态机》PPT课件
VHDL状态机是一种描述数字电路行为的建模语言，本课件将介绍VHDL状态机 的定义、作用以及其在数字电路设计中的重要性。
什么是 VHDL 状态机
定义
VHDL状态机是一种用于描述数字电路中组合逻辑与时序逻辑之间关系的建模方法。
作用
VHDL状态机能够将数字电路行为清晰地表示出来，方便设计者进行分析和调试。
VHDL 状态机的设计方法
1
状态定义
确定所需的状态数量，并为每个状态指定一个唯一的编码。
2
状态转移
根据输入信号和当前状态，定义状态之间的转移条件。
3
输出定义
根据当前状态和输入信号，定义对应的输出信号。
1 VHDL 状态机设计实例
设计一个灯泡控制系统，根据不同输入信号以及当前状态控制灯泡的亮、灭。
VHDL 状态机的调试技巧
VHDL 状态机的基本结构
状态寄存器
用于存储当前状态信息，决 定下一状态的变化。
组合逻辑
根据输入信号和当前状态， 决定下一状态。
输出逻辑
根据当前状态和输入信号， 产生输出信号。
1 VHDL 状态机的两种类型
Moore 状态机：输出只与当前状态有关；Mealy 状态机：输出与当前状态和输入信号有关。
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。
硬件描述语言
VHDL的程序至少由实体(entity)和结构体(architecture)两部分组成 实体的作用、结构体的作用
entity adder1 is port( a:in bit; b:in bit; s:out bit; co:out bit ); end adder1; --以上是半加器的实体说明 architecture adder1_arch of adder1 is begin s<=a xor b; co<=a and b; end adder1_arch; --以上是半加器的结构体定义
2008-09~2008.12
VHDL 语 言 有 两 个 标 准 版 ： VHDL’87 版 和 VHDL’93 版 。 VHDL’87 版 的 标 识 符 语 法 规 则 经 过 扩 展 后 ， 形 成 了 VHDL’93版的标识符语法规则。前一部分称为短标识符， 扩展部分称为扩展标识符。VHDL’93版含有短标识符和扩 展标识符两部分。
硬件描述语言
VHDL概述及其开发环境
1 硬件描述语言的概念、地位、用途、优点 2 VHDL代码如何变成电路 3 VHDL程序框架（实体＋结构） 4 MAX＋plusII快速入门
2008-09~2008.12
1 硬件描述语言的概念、地位、用途、优点
概念：VHDL是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit） Hardware Descriptions Language的缩写，即超高速集成电路 的硬件描述语言。VHDL语言能够描述硬件电路的结构、行为与 功能。 历史：随着大规模专用集成电路ASIC(Application-specific IC)的开发和研制，为了提高开发的效率，增加已有成果的可继 承性，各ASIC研制和生产厂家相继开发了用于各自目的的硬件 描述语言。其中最有代表性的是美国国防部开发的VHDL语言。 Viewlogic公司开发的Verilog HDL以及ALTERA公司开发的AHDL 语言。VHDL硬件描述语言在1987年被接纳为IEEE 1076标准，并 且在1993年进行了扩展，修订为新的VHDL语言标准IEEE 1164， 1996年，IEEE 1076.3成为VHDL的综合标准。1995年，中国国家 技术监督局发布的《CAD通用技术规范》中也明确推荐采用VHDL 作为我国电子设计自动化硬件描述语言的国家标准。
《FPGA培训》课件
欢迎来到FPGA培训。在这个PPT课件中，我们将会探究FPGA是什么、它的优 缺点以及它的应用场景。同时，我们还将学习FPGA的基本结构、编程模式和 编程语言。
FPGA简介
什么是FPGA？
FPGA为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的缩写， 是一种可编程逻辑器件。
RTL设计
RTL设计用于生成功能较复杂的数 字电路的原理图库、模块和综合文 件。
时序分析和时钟分析
时序分析
在FPGA开发中，时序分析旨在识别和处理信号延迟问题，包括最短路径约束、时序捕获和时 序传递等。
时钟分析
时钟是FPGA电路中最重要的信号源之一，时钟分析主要用于保证时钟的正确性、时序驱动以 及时钟域的处理等。
数据类型包括对象、寄存器、线和内存。
Verilog HDL中的模块
模块是Verilog HDL的基本单元，它用于描述电路且 可以嵌套。
Verilog HDL中的操作符
操作符包括算术、关系和逻辑运算符。
Verilog HDL高级
1
循环和条件语句
类C语言的结构体，包括while、for、if、else和case等。适用于大型的状态机设计。
2
事件和触发器
基本包括触发器、电平和边沿敏感型触发器以及事件和延时。
3
Testbench设计和调试流程
Testbench是用于调试模块和电路设计的特殊模块。
Quartus II介绍
集成开发环境
Quartus II是Altera公司推出的用于 设计数字电路的集成开发环境 （IDE）。
工程管理
Quartus II中允许用户使用Tcl和Perl 等工具进行项目管理，包括改变工 程属性和实现工程复制。
VHDL与硬件描述语言
VHDL与硬件描述语言VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，被广泛应用于数字电路和系统的设计、仿真和验证中。
本文将介绍VHDL的基本概念、语法和应用，以及其在硬件设计中的重要性和优势。
一、VHDL的基本概念与语法VHDL是由美国国防部下属的VHSIC（Very High Speed Integrated Circuits）计划发起的硬件描述语言标准化工作中发展起来的，它源于Ada语言，并在此基础上进行了修改和扩展。
VHDL采用了面向对象的设计思想，通过描述硬件的结构和行为，实现了对数字系统的高层次抽象。
VHDL的基本元素包括实体（entity）、结构（architecture）和配置（configuration）。
实体定义了模块的接口和信号，结构描述了模块内部的组织和连接关系，配置用于将不同实体和结构进行绑定。
此外，VHDL还提供了丰富的数据类型、控制结构和函数库，以支持复杂的逻辑运算和算术操作。
VHDL代码的编写需要遵循一定的语法规则，如正确使用关键字、语句结束符号等。
此外，注释和缩进等规范的使用可以提高代码的可读性和可维护性。
二、VHDL的应用1. 数字电路设计VHDL在数字电路设计中被广泛应用，通过使用VHDL语言，设计人员可以描述和验证各种数字逻辑电路，包括组合逻辑电路和时序逻辑电路。
借助VHDL仿真工具，可以进行功能仿真、时序仿真和行为仿真，验证设计的正确性和性能。
2. 系统级设计除了用于电路级设计，VHDL还可以用于系统级设计。
通过对模块的整合和功能描述，可以搭建更为复杂的系统，并在此基础上进行仿真和验证。
VHDL支持高级抽象和层次化设计，使得系统级设计更加灵活和可重用。
3. ASIC和FPGA设计VHDL在应用特定的集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）的设计中，具有非常重要的地位。
ASIC是在集成电路制造厂中进行定制化设计和生产的芯片，而FPGA则是可以在现场进行编程和配置的可重构芯片。
VHDL语言基础
第3章 组合逻辑设计
VHDL描述
实体：也称端口，用于定义模块I/O接口，包括I/O 信号的名称、属性、数据类型。
结构体：对硬件内部结构或性能的具体描述
例：2输入与非门的VHDL描述(数据流描述）
ENTITY nand2 IS
--实体描述
PORT(i1,i2: IN BIT;
--输入信号名
o1: OUT BIT);
举例： TYPE bit_logic IS (‘0’,’1’,’Z’,’X’); TYPE traffic_light IS (red, green, yellow);
第3章 组合逻辑设计 2、数组类型
格式： TYPE 数组名 IS ARRAY（范围）OF 基类型；
举例： TYPE register IS ARRAY(0 TO 7) OF BIT; TYPE register_1 IS ARRAY(7 DOWNTO 0) OF BIT; TYPE rom IS ARRAY(0 TO 7) OF register; TYPE rom IS ARRAY(0 TO 7,0 TO 7) OF BIT;
使用资源库时，必须显式声明。
第3章 组合逻辑设计
二、包
•VHDL库中可以包含很多内容，以程序包的形式组织在一起，
如，IEEE库中有标准逻辑包STD_LOGIC_1164。
•包是VHDL对预定义类型、函数、部件进行封装的一种形式。 • 结构：
PACKAGE 程序包名 IS 程序包说明部分
END 程序包名；
第3章 组合逻辑设计
VHDL运算符
算术运算符
关系运算符
逻辑运算符
连接运算符
＋（加）
=（等于）
AND（与）
第四讲VHDL语言基础知识
对象说明的一般格式是： <gt; <信号种类>： =<表达式>; 说明 标识符 <子类型说明>是类型名或类型名加限制条件 <信号种类>为BUS或REGISTER，该项为任选项 ：=<表达式>为对象赋初值
3、配置
格式
CONFIGURATION END 配置名；
配置名 OF 实体名 [说明语句]；
IS
说明
这种配置用于选择不包含块（BLOCK）和元 件（COMPONENTS）的构造体。在配置语句中只包 含有实体所选配的构造体名，其他什么也没有。
4、包集合
格式
PACKAGE
说明
包集合名 IS [说明语句]； END 包集合名； PACKAGE BODY 包集合名 [说明语句]； END BODY；
VHDL源文件基本格式
LIBRARY 库名; USE 库名.程序包名.; ENTITY 实体名 IS PORT(……); END 实体名; －－库(声明库) －－程序包(引用库) －－实体
ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名－－结构体 （………） END 结构体名;
VHDL源程序基本格式举例：
端口模式
IN OUT INOUT BUFFER 输入，信号只能自端口到实体 输出，信号只能自实体到端口 双向，信号既可输入又可输出 缓冲，信号自实体输出，又有 内部反馈
Entity
Out与Buffer的区别
Entity test1 is port(a: in std_logic; b,c: out std_logic ); end test1; Entity test2 is port(a: in std_logic; b : buffer std_logic; c: out std_logic ); end test2; architecture a of test2 is begin b <= not(a); c <= b; end a;