第4章 用VHDL程序實現常用邏輯電路

第四章

用VHDL程序實現常用邏輯電路4.1組合邏輯電路設計1基本邏輯門

基本邏輯門電路有與門、或門、非門、與非門、異或門和異或非門等，用VHDL語言來描述十分方便.其源程序如下：

libraryieee;useiee.std_logic_1164.all;entityjbmis

port(a,b:inbit;f1,f2,f3,f4,f5,f:outbit);endjbm;architectureaofjbmisbegin

f1<=aandb;--構成與門

f2<=aorb;--構成或門

f<=nota;--構成非門

f3<=anandb;--構成與非門

f4<=anorb;--構成異或門

f5<=not(a

xorb);--構成異或非門即同門

end;2三態(tài)門源程序如下：

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitytri_sis

port(enable:instd_logic;

datain:instd_logic_vector(7downto0);

dataout:outstd_logic_vector(7downto0));endtri_s;architecturebhvoftri_sisbegin

process(enable,datain)beginifenable='1'then

dataout<=datain;else

dataout<="ZZZZZZZZ";endif;endprocess;endbhv;8位三態(tài)控制門電路dataout[7..0]comb[7..0]datain[7..0]enableIO_BUF(TRI)3.三線－八線譯碼器三線－八線譯碼器的輸出有效電平為低電平，譯碼器的使能控制輸入端g1、g2a、g2b有效時，當3線數據輸入端:

cba=000時，y[7…0]=11111110（即y[0]=0）；

cba=001時，y[7…0]=11111101（即y[1]=0）;

cba=111時，y[7…0]=01111111（即y[7]=0）;

三八譯碼器端口圖:

源程序如下：--實體libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydecoder3_8isport(a,b,c,g1,g2a,g2b:instd_logic;y:outstd_logic_vector(7downto0));enddecoder3_8;

結構體描述（下頁）architectureaofdecoder3_8issignaldz:std_logic_vector(2downto0);begin

dz<=c&b&a;process(dz,g1,g2a,g2b)beginif(g1='1'andg2a='0'andg2b='0')thencasedziswhen"000"=>y<="11111110";when"001"=>y<="11111101";when"010"=>y<="11111011";when"011"=>y<="11110111";when"100"=>y<="11101111";when"101"=>y<="11011111";when"110"=>y<="10111111";when"111"=>y<="01111111";whenothers=>y<="XXXXXXXX";endcase;elsey<="11111111";endif;endprocess;end;4.七段碼譯碼器七段碼的輸出去驅動七段碼顯示器，才能顯示正常的數字。下圖為共陰極數碼管顯示器。

共陰極數碼管顯示器電路示意圖分別顯示0~9和A、B、C、D、E、F等16個數碼,其源程序如下：

--實體描述libraryieee;useieee.std_logic_1164.allentitydecl7sisport(a:instd_logic_vector(3downto0);led7s:outstd_logic_vector(6downto0));enddecl7s;結構體描述見下頁結構體描述:architecturebehaveofdecl7sisbegin

process(a)begincaseaiswhen"0000"=>led7s<="0111111";when"0001"=>led7s<="0000110";when"0010"=>led7s<="1011011";when"0011"=>led7s<="1001111";when"0100"=>led7s<="1100110";when"0101"=>led7s<="1101101";when"0110"=>led7s<="1111101";when"0111"=>led7s<="0000111";when"1000"=>led7s<="1111111";when"1001"=>led7s<="1101111";when"1010"=>led7s<="1110111";when"1011"=>led7s<="1111100";when"1100"=>led7s<="0111001";when"1101"=>led7s<="1011110";when"1110"=>led7s<="1111001";when"1111"=>led7s<="1110001";whenothers=>null;endcase;endprocess;endbehave;5.多位加（減）法器

以4位全減器為例來說明。程序說明：該例利用行為描述模式描述全減器。兩個數夠減，高借位值為0；兩個數不夠減，需要向高位借1位，這時高借位值為1，由于有借位，所以差值是大于或等于0的數。

--實體描述

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_signed.all;entityjianfaqiis

port(a,b:instd_logic_vector(0to3);c0:instd_logic;c1:outstd_logic;d:outstd_logic_vector(0to3));end;--結構體描述：architectureaofjianfaqiisbeginprocessbeginifa>b+c0thend<=a-(b+c0);c1<='0';elsec1<='1';d<=("10000")-(b+c0-a);endif;endprocess;end;4.2時序邏輯電路設計1觸發(fā)器

觸發(fā)器是構成時序邏輯電路的基本元件，常用的觸發(fā)器包括RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器等類型。下面僅介紹同步復位D觸發(fā)器。源程序如下：

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_signed.all;entitysyndffis

port(d,clk,reset:in

std_logic;

q,qb:out

std_logic);endsyndff;--結構體描述：architecturedff_artofsyndffisbegin

process(clk)beginif(clk'eventandclk='1')thenif(reset='0')thenq<='0';

qb<='1';elseq<=d;

qb<=notq;endif;endif;endprocess;enddff_art;

2計數器以n位二進制計數器設計為例。源程序如下：--實體描述

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitycnt4IS port(clk:instd_logic; q:outstd_logic_vector(3downto0)); endcnt4;改變std_logic_vector矢量的位寬，可以很方便地改變二進制計數器的模。--結構體描述：architecturebehaveofcnt4issignalq1:std_logic_vector(3downto0);begin

process(clk)beginif(clk'eventandclk='1')then q1<=q1+1;

endif;endprocess;q<=q1;endbehave;3移位寄存器設計一個帶有并行預置功能的8位右移移位寄存器。端口：

clk是移位時鐘信號；

din是8位并行預置數據端口；

load是并行數據預置使能信號；

qb是串行輸出端口。當clk的上升沿到來時進程被啟動，若load為高電平則將輸入端的8位二進制數并行置入移位寄存器中，作為串行右移輸出的初始值；若load為低電平，則執(zhí)行reg8(6downto0):=reg8(7downto1)。8個脈沖后完成了并-串轉化的功能，并將最低位首先輸出。源程序如下：libraryieee;usestd_logic_1164.all;entityshfrtis--8位右移寄存器

port(clk,load:instd_logic;din:instd_logic_vector(7downto0);

qb:outstd_logic);end;architectureoneofshfrtisbeginprocess(clk,load)variablereg8:std_logic_vector(7downto0);beginifclk'eventandclk='1'then--檢測時鐘上升沿

ifload='1'thenreg8::=din;--由（load='1'）裝載新數據

elsereg8(6downto0):=reg8(7downto1);endif;endif;

qb<=reg8(0);--輸出最低位endprocess;endone;4.3狀態(tài)機邏輯電路設計

狀態(tài)機設計是一類重要的時序電路，是許多邏輯電路的核心部件。是實現高效率、高可靠性邏輯控制的重要途徑。一般狀態(tài)機分類為以下兩種：

MOORE型狀態(tài)機，它的輸出僅僅取決于現態(tài)，與輸入無關。

MEALY型狀態(tài)機，它的輸出不僅取決于現態(tài)，還與輸入有關。

狀態(tài)機程序結構主要由四部分組成：

1）說明部分：定義枚舉型數據類型：Typestateis(s1,s2,s3,….)；定義現態(tài)和次態(tài)信號：current_state和next_state。

2）主控時序進程：在時鐘驅動下負責狀態(tài)轉換。只是機械地將代表次態(tài)的信號next_state中的內容送入現態(tài)的信號current_state中。

3）主控組合進程：根據外部輸入的控制信號和當前狀態(tài)確定下一狀態(tài)的取向，以及確定當前對外的輸出。

4）輔助進程：為了完成某種算法或為了輸出設置的鎖存器。狀態(tài)機應用舉例：

設計一個循環(huán)彩燈控制器，該控制器控制紅、綠、黃三個發(fā)光管循環(huán)發(fā)亮（紅發(fā)光管亮2秒，綠發(fā)光管亮3秒，黃發(fā)光管亮1秒）。

其源程序如下：

--實體描述：

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityasm_ledis

port(clk,clr:instd_logic;led1,led2,led3:outstd_logic);end;

結構體描述見下頁：architectureaofasm_ledistypestatesis(s0,s1,s2,s3,s4,s5); --對狀態(tài)機的狀態(tài)聲明

signalq:std_logic_vector(0to2);signalstate:states;beginp1:process(clk,clr)--進程1begin

if(clr='0')thenstate<=s0;

elsif(clk'eventandclk='1')thencasestateiswhens0=>state<=s1;whens1=>state<=s2;whens2=>state<=s3;whens3=>state<=s4;whens4=>s