實(shí)驗(yàn)六 二選一數(shù)據(jù)選擇器的VHDL設(shè)計(jì)

1、1任務(wù)分析:數(shù)據(jù)選擇器的功能 1知識(shí)準(zhǔn)備:結(jié)構(gòu)體、數(shù)據(jù)對(duì)象與運(yùn)算符2任務(wù)實(shí)施:二選一數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)3任務(wù)五 二選一數(shù)據(jù)選擇器的VHDL實(shí)現(xiàn)12一、任務(wù)分析：數(shù)據(jù)選擇器 在多路數(shù)據(jù)傳送過程中，能夠根據(jù)需要將其中任意一路選出來的電路，叫做數(shù)據(jù)選擇器，也稱多路選擇器或多路開關(guān)。數(shù)據(jù)選擇器(MUX)的邏輯功能是在地址選擇信號(hào)的控制下，從多路數(shù)據(jù)中選擇一路數(shù)據(jù)作為輸出信號(hào)。因此對(duì)于一個(gè)具有2n個(gè)輸入 和1個(gè)輸出的多路選擇器，應(yīng)有n個(gè)地址選擇變量。2一） 結(jié)構(gòu)體ARCHITECTURE 結(jié)構(gòu)體名 OF 實(shí)體名 IS 說明語句；BEGIN 功能描述語句；END ARCHITECTURE 結(jié)構(gòu)體名；功能： 對(duì)

2、數(shù)據(jù)類型、常數(shù)、信號(hào)、子程序和元件等元素的 說明。 描述實(shí)體邏輯行為。二、知識(shí)準(zhǔn)備：結(jié)構(gòu)體,數(shù)據(jù)對(duì)象與運(yùn)算符3VHDL結(jié)構(gòu)體術(shù)語說明語句：用于定義結(jié)構(gòu)體中所用的數(shù)據(jù)對(duì)象（常量和信號(hào)）和子程序，并對(duì)所引用的元件加以說明，但不能定義變量。功能描述語句：有五種類型，可以把它們看成結(jié)構(gòu)體的五種子結(jié)構(gòu)。這五種語句結(jié)構(gòu)本身是并行語句，但內(nèi)部可能含有并行運(yùn)行的邏輯描述語句或順序運(yùn)行的邏輯描述語句，如進(jìn)程內(nèi)部包含的即為順序語句。五種語句結(jié)構(gòu)分別為塊語句、進(jìn)程語句、信號(hào)賦值語句、子程序調(diào)用語句和元件例化語句。 4結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)圖由若干并行執(zhí)行語句包裝在一起形成一個(gè)子模塊。定義順序語句模塊，用從外部獲得的信號(hào)值，或內(nèi)

3、部的運(yùn)算數(shù)據(jù)向其它的信號(hào)進(jìn)行賦值。將設(shè)計(jì)實(shí)體內(nèi)的處理結(jié)果向定義的信號(hào)或界面端口進(jìn)行賦值用以調(diào)用過程或函數(shù)，并將獲得的結(jié)果賦值于信號(hào)。元件調(diào)用，用來調(diào)用另一個(gè)實(shí)體所描述的電路。結(jié)構(gòu)體說明語句功能描述語句塊語句進(jìn)程語句信號(hào)賦值語句子程序調(diào)用語句元件例化語句5實(shí)體和結(jié)構(gòu)體之間的關(guān)系Input 1Input nOutput 1Output n實(shí)體ABCDSelMUX_Out26結(jié)構(gòu)體三種描述方法行為描述(behavior process)數(shù)據(jù)流描述(data flow)結(jié)構(gòu)化描述(structure)真值表布爾方程式邏輯電路7結(jié)構(gòu)體行為描述 行為描述是高層次描述方式(類似于真值表)，它只描述輸入與輸出

4、之間的邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系，而不涉及具體邏輯電路結(jié)構(gòu)等信息。 主要用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的仿真或系統(tǒng)工作原理的仿真。故其大量采用的算術(shù)運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、慣性延時(shí)、傳輸延時(shí)等描述方式是難于或不能進(jìn)行邏輯綜合的。8Behavior Process描述 architecture one of mux21 isbegin y=a when s=0 else b; end one;真值表高層次的功能描述，不必考慮在具體電路是怎樣實(shí)現(xiàn)的。9結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)流描述 數(shù)據(jù)流描述：也稱寄存器（RTL）描述方式，明確描述了數(shù)據(jù)信號(hào)的流動(dòng)路徑、流動(dòng)方向和流動(dòng)結(jié)果。 它采用類似于邏輯函數(shù)式的并行信號(hào)賦值語句進(jìn)行描述?？梢悦枋鰰r(shí)序電路，也可

5、描述組合電路。是完全能夠進(jìn)行邏輯綜合的描述方式。10architecture one of mux21 isbegin y=(a and (not s) ) or (b and s);end one;Data Flow描述邏輯函數(shù)式11結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)化描述 結(jié)構(gòu)化描述：復(fù)雜數(shù)字邏輯系統(tǒng)的層次化設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)中，高層次的設(shè)計(jì)模塊調(diào)用低層次的設(shè)計(jì)模塊，或直接用門電路設(shè)計(jì)單元來設(shè)計(jì)一復(fù)雜的邏輯電路。12architecture one of mux21 is signal d,e:bit; begin d=a and (not s); e=b and s; y=d or e; end one;Struct

6、ure描述邏輯圖13三種描述方式的比較描述方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場(chǎng)合結(jié)構(gòu)化描述連接關(guān)系清晰，電路模塊化清晰繁瑣、復(fù)雜層次化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流描述布爾函數(shù)定義明白邏輯方程難以獲得小門數(shù)設(shè)計(jì)行為描述邏輯關(guān)系描述清晰不一定能綜合系統(tǒng)建模、復(fù)雜的電路14二） 數(shù)據(jù)對(duì)象（data objects） 是數(shù)據(jù)類型的載體，共有三種形式的對(duì)象：Constant（常量）Variable（變量）Signal（信號(hào)）15Constant width: integer := 7;Constant Vcc: REAL:=5.0; Constant D: Std_Logic_Vector(3 Downto 0):= ”0000”;不能在

7、程序中改變；增強(qiáng)程序的可讀性，便于修改程序；常量的使用范圍取決于其定義位置，可在Library、Entity、Architecture、Process中進(jìn)行定義，其有效范圍也相應(yīng)限定。1、常量（Constant）定義格式為：Constant 常量名：數(shù)據(jù)類型 ：=表達(dá)式； 162、 變量 變量是一個(gè)局部量，用于對(duì)中間數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，并不一定代表電路的某一硬件，沒有物理意義。定義格式為：Variable 變量名：數(shù)據(jù)類型：=設(shè)定值； 如：Variable a: integer := 0;變量賦值語句的語法格式為： 變量名 := 表達(dá)式（設(shè)定值）； 如：a := b and c;17變量賦值整體賦

8、值：temp := “10101010”;temp := “AA” ; 逐位賦值：temp(7) := 1;多位賦值temp (7 downto 4) := “1010”;多位賦值用雙引號(hào)逐位賦值用單引號(hào)賦值標(biāo)志183、信號(hào) 信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)象，代表電路內(nèi)部線路，其在元件之間起互連作用，沒有方向性，可給它賦值，也可當(dāng)作輸入。定義格式為： Signal 信號(hào)名：數(shù)據(jù)類型：=設(shè)定值； 如：Signal A : Std_logic_vector(3 Downto 0) := “0000”; 信號(hào)賦值語句的語法格式為： 信號(hào)名=表達(dá)式（設(shè)定值）；A = “1010”19信號(hào)賦值SIGNAL temp : S

9、td_Logic_Vector (7 downto 0);整體賦值:temp = “10101010”;temp = “AA” ; 逐位賦值:temp(7) = 1;多位賦值:temp (7 downto 4) = “1010”；多位賦值用雙引號(hào)逐位賦值用單引號(hào)賦值標(biāo)志20信號(hào)、變量、常量對(duì)比（一）、定義Signal clk: std_logic; Variable data: std_logic_vector(7 downto 0);Constant width: integer :=7 ;（二）、賦值方式clk = 1； （非立即）data := “1010”; （立即）（三）、邏輯功能信

10、號(hào)可以代表電路的內(nèi)部連接，而變量?jī)H僅是電路內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換。21（五）、適用范圍信號(hào)：實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、程序包變量：定義了變量的進(jìn)程、子程序的順序語句中常量：視其定義的位置而定若常量定義在實(shí)體中，適用范圍是實(shí)體所對(duì)應(yīng)的所有結(jié)構(gòu)體。若常量定義在結(jié)構(gòu)體中，適用范圍就是本結(jié)構(gòu)體。（四）、定義區(qū)域信號(hào)：實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、程序包變量：進(jìn)程、子程序常量：實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、程序包、塊、進(jìn)程、子程序22能進(jìn)行邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)類型：bit、bit_vector、boolean、 std_logic、std_logic_vector1、邏輯操作符三） VHDL語言的操作符（operator）23注意，邏輯運(yùn)算符的左右兩邊以及代入

11、的信號(hào)的數(shù)據(jù)類型必須是相同的。當(dāng)一個(gè)語句中存在多個(gè)邏輯表達(dá)式時(shí)，除了NOT運(yùn)算符，其他6種運(yùn)算符沒有優(yōu)先級(jí)之分，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意根據(jù)實(shí)際邏輯表達(dá)式設(shè)置括號(hào)。邏輯運(yùn)算符應(yīng)用舉例y=a XOR b; -邏輯表達(dá)式 y=aby=a AND b AND c AND d; -邏輯表達(dá)式 y=abcdy101011結(jié)果為真） = 等于/= 不等于 小于= 小于或等于（也用于信號(hào)的賦值操作） 大于= 大于或等于253、算術(shù)運(yùn)算符+ ：加，：減； + ：正，：負(fù)* ：乘， /：除 ，REM 求余 ， MOD求模：整數(shù)和實(shí)數(shù)，ABS：求絕對(duì)值* 乘方：左邊可以是整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)，右邊必須是整數(shù)，且只有在左邊為浮點(diǎn)數(shù)時(shí)

12、，右邊才可以為負(fù)數(shù)。其中取模，取余，取絕對(duì)值和乘方運(yùn)算的操作數(shù)只能是整型，其他的可以是整數(shù)和實(shí)數(shù)型。264、并置運(yùn)算符 VHDL語言中的并置運(yùn)算符為“&”，用于位的連接，形成位矢量。也可以進(jìn)行多個(gè)矢量的連接，以構(gòu)成位長(zhǎng)更大的位矢量。并置運(yùn)算符應(yīng)用舉例。SIGNAL data_1: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL data_2: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL data_3: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);data_1=0000;data_2=1111;data_3= data_1&dat

13、a_2;運(yùn)算后，data_3的結(jié)果為00001111。275、移位運(yùn)算符SLL是將向量左移，右邊移空位補(bǔ)0；SRL是將向量右移，左邊移空位補(bǔ)0；SLA是將向量左移，右邊第一位數(shù)值保持不變；SRA是將向量右移，左邊第一位數(shù)值保持不變；ROL和ROR是自循環(huán)移位方式。28移位運(yùn)算符操作示意圖29移位運(yùn)算符應(yīng)用舉例：A=0101;B=A SLL 1;-B=1010C=A SRL 1;-C=0010D=A SLA 1;-D=1011E=A SRA 1;-E=0010F=A ROL 1;-F=1010G=A ROR 1;-G=101030數(shù)據(jù)類型必須一致表達(dá)式中有多個(gè)運(yùn)算符時(shí)一般要加括號(hào)，但and、or

14、等除外VHDL操作符優(yōu)先級(jí)6、運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)31 signal d1,d2,s : integer; SIGNAL a ，b，c : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ； SIGNAL d，e，f，g : STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0) ； SIGNAL h，i，j，k : STD_LOGIC ； SIGNAL l，m，n，o，p : BOOLEAN ； . s=a and b; - integer 不能進(jìn)行邏輯運(yùn)算 a=b AND c; - a、b、c的數(shù)據(jù)類型同屬4位長(zhǎng)的位矢量 d=e OR f OR g ; - 兩個(gè)操作符OR相同，不

15、需括號(hào) h=(i NAND j)NAND k ； - NAND必須加括號(hào) l=(m XOR n)AND(o XOR p); - 操作符不同，必須加括號(hào) h=i AND j AND k ; - 兩個(gè)操作符都是AND，不必加括號(hào) h=i AND j OR k ; - 兩個(gè)操作符不同，未加括號(hào)，表達(dá)錯(cuò)誤 a=b AND e ; - 操作數(shù)b與e的位矢長(zhǎng)度不一致，表達(dá)錯(cuò)誤 h=i OR l ; - 數(shù)據(jù)類型不同，表達(dá)錯(cuò)誤。32【例1】 ENTITY mux21a IS PORT( a, b : IN BIT ; s : IN BIT; y : OUT BIT ) ;END ENTITY mux21a ;ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y = a WHEN s = 0 ELSE b ;END ARCHITECTURE one ;任務(wù)實(shí)施:二選一數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)333【例2】 ENTITY mux21a IS PORT ( a, b : IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a;ARCHITECTURE one OF mux21a IS SIGNAL d,e : BIT; BEGINd = a