基本邏輯電路設(shè)計(jì)

基本邏輯電路設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四27.1組合邏輯電路設(shè)計(jì)7.1.1設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

一、組合邏輯電路的設(shè)計(jì)步驟邏輯真值表邏輯函數(shù)式選定器件類(lèi)型化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)邏輯電路圖邏輯問(wèn)題分析事件的因果關(guān)系，確定輸入端口和輸出端口及邏輯狀態(tài)的含意。將實(shí)際的邏輯問(wèn)題抽象成邏輯函數(shù)。由EDA工具自動(dòng)完成。第2頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3二、用VHDL建立組合邏輯電路的方法1、借助真值表設(shè)計(jì)組合電路設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)四選一數(shù)據(jù)選擇器。邏輯功能：從四個(gè)輸入數(shù)據(jù)中選出某一數(shù)據(jù)輸出。輸入輸出端口：四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端；兩個(gè)選擇控制輸入端；一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端。mux4fin0in1in2in3x0x1引腳框圖entitymux4isport(in0,in1,in2,in3:inbit;x0,x1:inbit;f:outbit);endentitymux4;第3頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4真值表：in0in1in2in3x1x0fin0---00in0-in1--01in1--in2-10in2---in311in3architecturertlofmux4isbeginf<=(in0and((notx1)and(notx0)))or(in1and((notx1)and(x0)))or(in2and((x1)and(notx0)))or(in3and((x1)and(x0)));endarchitecturertl;第4頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5此例按真值表(用“與或”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn))要求，用VHDL語(yǔ)言邏輯表達(dá)式方式描述四選一數(shù)據(jù)選擇器，將f＝’1’的行用最小項(xiàng)表達(dá)式表達(dá)出來(lái)即可。這種描述方法和傳統(tǒng)的由真值表變?yōu)樽钚№?xiàng)表達(dá)式的設(shè)計(jì)方法是相同的，只是用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行描述無(wú)須化簡(jiǎn)(由計(jì)算機(jī)進(jìn)行化簡(jiǎn))；而用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法描述時(shí)，常常要對(duì)最小項(xiàng)表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，以使設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)化。第5頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四62、用邏輯表達(dá)式描述組合電路設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)電路y＝abc＋de。輸入輸出端口：五個(gè)函數(shù)自變量輸入端；一個(gè)函數(shù)值輸出端。functionyabcde引腳框圖entityfunctisport(a,b,c,d,e:inbit;y:outbit);endentityfunct;architecturertloffunctisbeginy<=(aandbandc)or(dande);endarchitecturertl;邏輯表達(dá)式設(shè)計(jì)函數(shù)電路非常方便，只要用VHDL語(yǔ)言的邏輯符號(hào)置換布爾方程中相應(yīng)的邏輯符號(hào)即可。第6頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四73、用算術(shù)表達(dá)式描述組合電路設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一位全加器。邏輯功能：考慮來(lái)自低位的進(jìn)位，將兩個(gè)一位的二進(jìn)制數(shù)相加，得到一個(gè)和位、一個(gè)進(jìn)位位。輸入輸出端口：兩個(gè)加數(shù)輸入端；一個(gè)低位進(jìn)位輸入端；一個(gè)和輸出端；一個(gè)進(jìn)位輸出端。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityfulladderisport(a,b,cin:instd_logic;sum,cout:outstd_logic);endentityfulladder;fulladdercoutabcin引腳框圖sum第7頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8算術(shù)表達(dá)式：(cout,sum)=a+b+cin;architecturertloffulladderissignala1,b1,cin1,sum1:std_logic_vector(1downto0);begina1<='0'&a;b1<='0'&b;cin1<='0'&cin;sum1<=a1+b1+cin1;sum<=sum1(0);cout<=sum1(1);endarchitecturertl;并位運(yùn)算是為了滿(mǎn)足代入符<＝左、右兩側(cè)運(yùn)算對(duì)象的位數(shù)相同。算術(shù)表達(dá)式設(shè)計(jì)電路，只要用VHDL語(yǔ)言的算術(shù)符號(hào)置換算術(shù)表達(dá)式中相應(yīng)的算術(shù)符號(hào)即可，同時(shí)要考慮VHDL語(yǔ)言對(duì)運(yùn)算操作數(shù)的要求。第8頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)單門(mén)電路譯碼器編碼器編碼轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)選擇器運(yùn)算器三態(tài)門(mén)及總線緩沖器第9頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四107.1.2簡(jiǎn)單門(mén)電路簡(jiǎn)單門(mén)電路表達(dá)簡(jiǎn)答邏輯關(guān)系，采用簡(jiǎn)單的信號(hào)代入語(yǔ)句就能夠方便地實(shí)現(xiàn)；沒(méi)有必要采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。例如，反向器y<=nota;2輸入與非門(mén)y<=anandb;2輸入或非門(mén)y<=anorb;2輸入異或門(mén)y<=axorb;與或非門(mén)y<=not((a1anda2)or(a3anda4));第10頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四11libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitynand2_71isport(a,b:instd_logic;y:outstd_logic);endentitynand2_71;architecturenand2_1ofnand2_71isbegin

y<=anandb;endarchitecturenand2_1;1.基于邏輯表達(dá)式的二輸入與非門(mén)描述第11頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12RTL視圖仿真波形圖第12頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四132.基于真值表的二輸入與非門(mén)描述libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitynand2_72isport(a,b:instd_logic;y:outstd_logic);endentitynand2_72;architecturenand2_2ofnand2_72isbegin第13頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14process(a,b)isvariablecomb:std_logic_vector(1downto0);begincomb:=a&b;aby001011101110二輸入與非門(mén)真值表casecombiswhen"00"=>y<='1';when"01"=>y<='1';when"10"=>y<='1';when"11"=>y<='0';whenothers=>y<='X';endcase;endprocess;endarchitecturenand2_2;RTL視圖第14頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四15基于真值表的另一種描述形式libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitynand2_73isport(a,b:instd_logic;y:outstd_logic);endentitynand2_73;architecturenand2_3ofnand2_73isbeginy<=(notaandnotb)or(notaandb)or(aandnotb);endarchitecturenand2_3;aby001011101110二輸入與非門(mén)真值表RTL視圖第15頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四163.N輸入與門(mén)的描述entityand_nisgeneric(n:integer);port(a:inbit_vector((n-1)downto0);f:outbit);endentityand_n;architectureusing_loopofand_nisbeginendarchitectureusing_loop;構(gòu)造體怎樣編寫(xiě)?使用什么語(yǔ)句?and_nnaf第16頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四17process(a)isvariabletemp_f:bit;begintemp_f:='1';foriina'rangelooptemp_f:=temp_fanda(i);endloop;f<=temp_f;endprocess;作業(yè)：請(qǐng)大家為“n輸入或門(mén)”編寫(xiě)VHDL程序代碼。第17頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四18怎樣調(diào)用可配置輸入端口數(shù)目的N輸入與門(mén)entityand_nisgeneric(n:integer);port(a:inbit_vector((n-1)downto0);f:outbit);endentityand_n;componentand_nisgeneric(n:integer);port(a:inbit_vector((n-1)downto0);f:outbit);

endcomponentand_n；N輸入與門(mén)實(shí)體說(shuō)明部分調(diào)用N輸入與門(mén)的元件說(shuō)明語(yǔ)句第18頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四19architecturestrofandgeniscomponent…endcomponent…；signala0,a1:bit_vector(2downto0);signala2:bit_vector(1downto0);begina0<=in0&in1&in2;a1<=in3&in4&in5;u0:and_ngenericmap(3)portmap(a0,a2(0));u1:and_ngenericmap(3)portmap(a1,a2(1));u2:and_ngenericmap(2)portmap(a2,y);endarchitecturestr；利用genericmap語(yǔ)句對(duì)and_n配置不同輸入端口數(shù)目u0&u2&u1&in0in1in2in3in4in5a2(0)a2(1)y第19頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四207.1.3譯碼器譯碼器的功能根據(jù)特定的輸入數(shù)字狀態(tài)，激活電路的一個(gè)或多個(gè)輸出。常用譯碼器二進(jìn)制譯碼器：也稱(chēng)“最小項(xiàng)發(fā)生器”，其多位輸出分別表達(dá)輸入的不同最小項(xiàng)，如3-8線譯碼器。BCD-七段顯示譯碼器。地址譯碼器。第20頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四21輸入輸出端口：一個(gè)三位的待譯碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端；八個(gè)譯碼輸出端，反函數(shù)輸出；三個(gè)選通輸入控制端g1、g2a、g2b。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitykdecoder38isport(g1,g2a,g2b:instd_logic;a:instd_logic_vector(2downto0);y:outstd_logic_vector(7downto0));endentitykdecoder38;1.3-8線譯碼器第21頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四22architecturertlofkdecoder38issignalyl:std_logic_vector(7downto0);beginwithaselectyl<=

"11111110"when"000","11111101"when"001",……“01111111"when"111","11111111"whenothers;y<=ylwhen(g1andnotg2aandnotg2b)='1'else"11111111";endarchitecturertl;選通輸入二進(jìn)制輸入譯碼輸出g1g2ag2ba[2:0]y[7:0]X1XXXX11111111XX1XXX111111110XXXXX111111111000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111第22頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四23

第23頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四242.BCD-七段顯示譯碼器輸入BCD碼（8421碼，用四位二進(jìn)制數(shù)碼表示的一位十進(jìn)制數(shù)），產(chǎn)生7個(gè)輸出，分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)顯示器件（二極管或液晶顯示單元），可顯示十進(jìn)制數(shù)。7段輸出與BCD碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系:data(3downto0):abcdefg0000:11111100001:01100000010:11011010011:11110010100:01100110101:10110110110:00111110111:11100001000:11111111001:1110011第24頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四25libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitybcdseg7isport(data:instd_logic_vector(3downto0);y:outstd_logic_vector(6downto0));endentity

bcdseg7;第25頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四26architecturedofbcdseg7isbeginy<="1111110"whendata="0000"else"0110000"whendata="0001"else"1101101"whendata="0010"else"1111001"whendata="0011"else"0110011"whendata="0100"else"1011011"whendata="0101"else"0011111"whendata="0110"else"1110000"whendata="0111"else"1111111"whendata="1000"else"1110011"whendata="1001"else

"0000000";endarchitectured;data(3downto0):abcdefg0000:11111100001:01100000010:11011010011:11110010100:01100110101:10110110110:00111110111:11100001000:11111111001:1110011第26頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四273.地址譯碼器使能端(en)地址(a19~a0)片選輸出(cs)000000H~01FFFHCS0=0,其余為1040000H~43FFFHCS1=0，其余為1008000H~0AFFFHCS2=0，其余為10E0000H~E01FFHCS3=0，其余為11XXXXXH全1地址譯碼器真值表第27頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四28libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityaddrdecisport(en:instd_logic;address:instd_logic_vector(19downto0);cs:outstd_logic_vector(3downto0));endentityaddrdec;第28頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四29--enmustbe'0'toenableanyoutput--cs(0):X"00000"toX"01FFF"--cs(1):X"40000"toX"43FFF"--cs(2):X"08000"toX"0AFFF"--cs(3):X"E0000"toX"E01FF"architecturev1ofaddrdecisbegincs(0)<='0'when((en='0')and((address>=X"00000")and(address<=X"01FFF")))else'1';cs(1)<='0'when((en='0')and((address>=X"40000")and(address<=X"43FFF")))else'1';cs(2)<='0'when((en='0')and((address>=X"08000")and(address<=X"0AFFF")))else'1';cs(3)<='0'when((en='0')and((address>=X"E0000")and(address<=X"E01FF")))else'1';endarchitecturev1;第29頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四30練習(xí)：改用case語(yǔ)句或select語(yǔ)句完成地址譯碼器的描述architecturev2ofaddrdecissignalcstemp:std_logic_vector(3downto0);beginwithaddressselectcstemp<="1110"whenX"00000"toX"01FFF","1101"whenX"40000"toX"43FFF","1011"whenX"08000"toX"0AFFF","0111"whenX"E0000"toX"E01FF","1111"whenothers;cs<=cstempwhenen='0'else"1111";endarchitecturev2;是否正確？**Error:E:/modelsimwork/addrdec/addrdec.vhd(24):Rangetypestd_logic_vectorisnotascalartype.第30頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四31case語(yǔ)句architecturev3ofaddrdecwithissignalcstemp:std_logic_vector(3downto0);beginprocess(address)isbegincaseaddressiswhenX"00000"toX"01FFF"=>cstemp<="1110";whenX"40000"toX"43FFF"=>cstemp<="1101";whenX"08000"toX"0AFFF"=>cstemp<="1011";whenX"E0000"toX"E01FF"=>cstemp<="0111";whenothers=>cstemp<="1111";endcase;endprocess;cs<=cstempwhenen='0'else"1111";endarchitecturev3;第31頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四32……useieee.std_logic_unsigned.all;……architecturev2ofaddrdecissignalcstemp:std_logic_vector(3downto0);signaladdrtemp:integerrange0to1048575;begin

addrtemp<=conv_integer(address);withaddrtempselectcstemp<="1110"when0to8191,"1101"when262144to278527,"1011"when32768to45055,"0111"when917504to918015,"1111"whenothers;cs<=cstempwhenen='0'else"1111";endarchitecturev2;修改后程序如下第32頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四334.作業(yè)：二-十進(jìn)制BCD譯碼器設(shè)計(jì)任務(wù):設(shè)計(jì)一個(gè)二-十進(jìn)制BCD譯碼器。譯碼器輸入din為4位二進(jìn)制數(shù)，輸出b為十進(jìn)制數(shù)的高位，a為十進(jìn)制數(shù)的低位，a、b是二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。端口圖如下：第33頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四347.1.4編碼器編碼器是與譯碼器邏輯功能相反的數(shù)字部件，它將特定意義的輸入數(shù)字信號(hào)變成相應(yīng)的若干位二進(jìn)制代碼。優(yōu)先級(jí)編碼器常用于中斷的優(yōu)先級(jí)控制。比如8線-3線優(yōu)先編碼器，輸入8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，編碼成3位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行輸出;低位0優(yōu)先，反函數(shù)輸出。本節(jié)講述該編碼器的編程，真值表如下第34頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四35編碼輸入使能輸入組信號(hào)輸出編碼輸出d7d6d5d4d3d2d1d0eingsneona2na1na0nXXXXXXXX111111XXXXXXX0001111XXXXXX01001110XXXXX011001101XXXX0111001100XXX01111001011XX011111001010X01111110010010111111100100011111111010111第35頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四36libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityencoder8_3isport(d:instd_logic_vector(7downto0);ein:instd_logic;a0n,a1n,a2n,gsn,eon:outstd_logic);endentityencoder8_3;引腳框圖第36頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四37architectureaofencoder8_3issignalq:std_logic_vector(2downto0);begina0n<=q(0);a1n<=q(1);a2n<=q(2);process(d)isbeginifein='1'thenq<="111";gsn<='1';eon<='1';elsifd(0)='0'thenq<="111";gsn<='0';eon<='1';elsifd(1)='0'thenq<="110";gsn<='0';eon<='1';……elsifd(7)='0'thenq<="000";gsn<='0';eon<='1';elseq<="111";gsn<='1';eon<='0';endif;endprocess;endarchitecturea;優(yōu)先級(jí)由高到低第37頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四38仿真波形圖RTL視圖第38頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四397.1.5碼制轉(zhuǎn)換電路該類(lèi)電路為多路輸入/多路輸出，將輸入的編碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸出的編碼；上述二進(jìn)制譯碼器、編碼器的數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)方式可以推廣到各類(lèi)碼制轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中；我們將8421碼向余三碼轉(zhuǎn)換電路的VHDL描述留給同學(xué)們作為課后練習(xí)。第39頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四40作業(yè)：BCDExcess-3（余3碼）的轉(zhuǎn)換libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;

entitykbcd_ex3isport(a:instd_logic_vector(3downto0);y:outstd_logic_vector(3downto0));endentitykbcd_ex3;architecturertlofkbcd_ex3isbegin………使用with…select…語(yǔ)句,或其他任何可行方式endarchitecturertl;第40頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四417.1.6數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器又叫多路開(kāi)關(guān)，在選擇信號(hào)的控制下，數(shù)據(jù)選擇器從多個(gè)數(shù)據(jù)輸入通道中選擇1路或多路的數(shù)據(jù)傳輸至輸出端，常用于信號(hào)的切換。我們?cè)?.1.1節(jié)，講述了利用真值表描述數(shù)據(jù)選擇器的方法，在第五章中講述if語(yǔ)句、case語(yǔ)句、選擇信號(hào)代入語(yǔ)句、條件信號(hào)代入語(yǔ)句的用法時(shí)，都以四選一數(shù)據(jù)選擇器為例進(jìn)行說(shuō)明，此處就不再重復(fù)。參看課本143頁(yè)的例7-13。第41頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四42作業(yè)：設(shè)計(jì)16-4數(shù)據(jù)選擇器，其引腳框圖及真值表如下所示。選擇輸入輸出s1s0x00a01b10c11d16-4數(shù)據(jù)選擇器真值表第42頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四437.1.7運(yùn)算器運(yùn)算電路主要包括：比較器（comparator）加法器（adder）乘法器（multipliers）算術(shù)邏輯單元（ALU）求補(bǔ)器這里，我們主要講加法器。第43頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四441.半加器加法器有全加器和半加器之分，半加器是組成全加器的基本部件，邏輯符號(hào)及真值表如下二進(jìn)制輸入和輸出進(jìn)位輸出basco0000011010101101第44頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四45libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityhalf_adderisport(a,b:instd_logic;s,co:outstd_logic);endentityhalf_adder;architecturehalf1ofhalf_adderisbeginco<=aandb;s<=axorb;endarchitecturehalf1;c<=aorb;d<=anandb;co<=notd;s<=candd;signalc,d:std_logic;第45頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四46

第46頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四472.全加器輸入輸出端口輸入:a,b,ci(進(jìn)位）輸出:s(和位）,co（進(jìn)位）

半加器僅能用于1bit加法，如果要設(shè)計(jì)較多位的加法器時(shí)，僅靠多個(gè)半加器相連無(wú)法達(dá)成此愿望，因其無(wú)法處理進(jìn)位問(wèn)題，故須使用全加器。當(dāng)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加時(shí)，較高的高位相加時(shí)必須加入較低的進(jìn)位項(xiàng)，以得到輸出為和（s）及進(jìn)位（co），因此有三個(gè)輸入項(xiàng)，而輸出同樣為兩項(xiàng)。第47頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四48輸入輸出abcisco0000000110010100110110010101011100111111全加器真值表邏輯表達(dá)式：第48頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四49libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityfulladderisport(a:instd_logic;b:instd_logic;

ci:instd_logic;s:outstd_logic;co:outstd_logic);endentityfulladder;architecturertloffulladderisbegins<=(axorb)xorci;co<=(aandb)or(cianda)or(ciandb);endarchitecturertl;第49頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四50基于邏輯表達(dá)式的RTL視圖基于算術(shù)表達(dá)式的RTL視圖第50頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四513.由兩個(gè)半加器構(gòu)成一位全加器libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityfull_adderis

port(a,b,cin:instd_logic;s,co:outstd_logic);end

entity

full_adder;半加器邏輯表達(dá)式全加器邏輯表達(dá)式第51頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四52architecturefulloffull_adderiscomponenthalf_adderis

port(a,b:instd_logic;s,co:outstd_logic);endcomponenthalf_adder;signalu0_co,u0_s,u1_co:std_logic;beginu0:half_adderportmap(a,b,u0_s,u0_co);u1:half_adderportmap(u0_s,cin,s,u1_co);co<=u0_cooru1_co;end

architecture

full;第52頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四534.N位串行進(jìn)位加法器第53頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四54libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityaddernisgeneric(n:integer:=16);port(a:instd_logic_vector(ndownto1);b:instd_logic_vector(ndownto1);cin:instd_logic;sum:outstd_logic_vector(ndownto1);cout:outstd_logic);end

entityaddern;architecturestructuralofaddernis

componentfulladderisport(a:instd_logic;b:instd_logic;ci:instd_logic;s:outstd_logic;co:outstd_logic);

endcomponentfulladder;第54頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四55signalcarry:std_logic_vector(0ton);begincarry(0)<=cin;cout<=carry(n);--instantiateasingle_bitadderntimesgen:foriin1tongenerate

add:

fulladderportmap(a=>a(i),b=>b(i),ci=>carry(i-1),s=>sum(i),co=>carry(i));endgenerate;end

architecturestructural;思考：我們可以用信號(hào)代入語(yǔ)句來(lái)寫(xiě)嗎？第55頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四56練習(xí)：改錯(cuò)并判斷以下程序所描述電路的功能libraryieee；useieee.std_logic_1164.all;entitykparity9isport(i:instd_logic_vector;even,odd:outstd_logic);endentitykparity9;architecturertlofkparity9isvariabley1,y2,y3:std_logic;beginy1:=i(1)xori(2)xori(3);y2:=i(4)xori(5)xori(6);y3:=i(7)xori(8)xori(9);even<=notodd;odd<=y1xory2xory3;endarchitecturertl;9位奇偶校驗(yàn)電路，若輸入數(shù)據(jù)中包含偶數(shù)個(gè)1則，even為1，odd為0；否則，even為0，odd為1。第56頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四57練習(xí)：設(shè)計(jì)一個(gè)四位比較器，它有兩個(gè)四位輸入端口in1和in2，是需要比較的兩個(gè)操作數(shù)；一個(gè)一位的輸出端口pout，當(dāng)in1＜in2時(shí)，輸出高電平，否則輸出低電平。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitycompisport(in1,in2:instd_logic_vector(3downto0);pout:outstd_logic);endentitycomp;architecturertlofcompisbegincompin1in2pout第57頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四58process(in1,in2)isvariablet1,t2:integerrange0to15;begint1:=conv_integer(in1);t2:=conv_integer(in2);ift1<t2thenpout<='1';elsepout<='0';endif;endprocess;endarchitecturertl;compin1in2poutuseieee.std_logic_unsigned.all;第58頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四59第59頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四60練習(xí)二進(jìn)制值運(yùn)算經(jīng)常用到求補(bǔ)操作，設(shè)計(jì)一個(gè)8位的求補(bǔ)器。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityhosuuisport(a:instd_logic_vector(7downto0);b:outstd_logic_vector(7downto0));endentityhosuu;architecturertlofhosuuisbeginb<=nota+‘1’;endarchitecturertl;此程序沒(méi)有考慮有符號(hào)數(shù)的求補(bǔ)第60頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四61libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityhosisport(a:instd_logic_vector(7downto0);b:outstd_logic_vector(7downto0));endentityhos;architecturertlofhosisbegin……endarchitecturertl;process(a)isvariablet:std_logic_vector(6downto0);beginifa(7)='1'thent:=nota(6downto0)+1;b<=a(7)&t;elseb<=a;endif;endprocess;有符號(hào)數(shù)的求補(bǔ)描述第61頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四62Info:Longesttpdfromsourcepin"a[7]"todestinationpin"b[4]"is10.236nstotallogicelement8Info:Longesttpdfromsourcepin"a[0]"todestinationpin"b[6]"is10.553nstotallogicelement7無(wú)符號(hào)數(shù)的求補(bǔ)器有符號(hào)數(shù)的求補(bǔ)器有符號(hào)數(shù)的求補(bǔ)器的仿真波形圖第62頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四63作業(yè)：設(shè)計(jì)四位算術(shù)邏輯單元（ALU），它具有一個(gè)3位的功能選擇輸入端口sel；兩個(gè)四位的操作數(shù)輸入端口a、b；一個(gè)進(jìn)位輸入端口cin；一個(gè)四位的結(jié)果輸出端口y；一個(gè)進(jìn)位輸出端口cout；通過(guò)sel的選擇，可以對(duì)輸入的兩組數(shù)據(jù)及進(jìn)位進(jìn)行8種不同的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)真值表。第63頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四64功能選擇sel[2:0]對(duì)應(yīng)的算術(shù)邏輯運(yùn)算000y=a+b+cin001y=a-b-cin010y=a+cin011y=a-cin100y=aandb101y=aorb110y=axorb111y=nota算術(shù)邏輯單元真值表將每一種運(yùn)算設(shè)計(jì)成一個(gè)小程序塊，通過(guò)選擇語(yǔ)句中的控制變量選擇不同的程序塊進(jìn)行運(yùn)算。設(shè)計(jì)思想第64頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四65libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_unsigned.all;

entityalu1isport(a,b:instd_logic_vector(3downto0);cin:instd_logic;sel:instd_logic_vector(2downto0);y:outstd_logic_vector(3downto0);cout:outstd_logic);endentityalu1;第65頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四66architecturebehofalu1issignalc:std_logic_vector(3downto0);beginprocess(a,b,cin,sel)isbegincaseseliswhen“000”=>--實(shí)現(xiàn)a+b+cin；

when"001"=>--實(shí)現(xiàn)a-b-cin;when“010”=>--實(shí)現(xiàn)a+cin；

when"011"=>--實(shí)現(xiàn)a-cin;when“100”=>--實(shí)現(xiàn)y=aandb;when“101”=>--實(shí)現(xiàn)y=aorb;when“110”=>--實(shí)現(xiàn)y=axorb;when“111”=>--實(shí)現(xiàn)y=nota;whenothers=>y<="0000”;cout<='0';

endcase;endprocess;endarchitecturebeh;第66頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四677.1.8三態(tài)門(mén)及總線緩沖器三態(tài)門(mén)電路數(shù)據(jù)輸入控制輸入數(shù)據(jù)輸出dinendoutX0Z010111三態(tài)門(mén)真值表

三態(tài)門(mén)和雙向緩沖器是接口電路和總線驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常用到的器件。利用高阻態(tài)，可以使總線被多個(gè)設(shè)備所共享，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的雙向操作。第67頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四68libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitytrigateisport(din,en:instd_logic;dout:outstd_logic);endentitytrigate;architecturertloftrigateisbeginprocess(din,en)isbeginif(en='1')thendout<=din;elsedout<='Z';endif;endprocess;endarchitecturertl;第68頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四69衛(wèi)式塊結(jié)構(gòu)描述的三態(tài)門(mén)architecturertloftri_gateisbegintri_gate2:block(en='1')begindout<=guardeddin;endblocktri_gate2;endarchitecturertl;architecturertloftri_gateisbeginprocess(din,en)isbegincaseeniswhen‘1’=>dout=>din;whenothers=>dout<=‘Z’;endcase;endprocess;endarchitecturertl;case語(yǔ)句描述的三態(tài)門(mén)第69頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四702.單向總線緩沖器單向總線緩沖器通常由多個(gè)三態(tài)門(mén)組成，所有三態(tài)緩沖器的控制端連在一起。八位單向總線驅(qū)動(dòng)器din(0)din(1)din(2)din(3)din(4)din(5)din(6)din(7)dout(0)dout(1)dout(2)dout(3)dout(4)dout(5)dout(6)dout(7)enendin(0)din(1)din(2)din(3)din(4)din(5)din(6)din(7)dout(0)dout(1)dout(2)dout(3)dout(4)dout(5)dout(6)dout(7)en第70頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四71libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitytribuf8isport(din:instd_logic_vector(7downto0);dout:outstd_logic_vector(7downto0);en:instd_logic);endentitytribuf8;architecturertloftribuf8isbeginprocess(en,din)isbeginif(en=‘1’)thendout<=din;elsedout<=“ZZZZZZZZ”;endif;endprocess;endarchitecturertl;Tri_buff:block(en=‘1’)begindout<=guardeddin;endblockTri_buff;tri_buf:process(en,din)isbegincaseeniswhen‘1’=>dout<=din;whenothers=>dout<="ZZZZZZZZ";endcase;endprocesstri_buf;dout<=dinwhenen='1'else"ZZZZZZZZ";第71頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四72采用條件語(yǔ)句的仿真波形采用衛(wèi)式塊的仿真波形采用條件語(yǔ)句的RTL視圖第72頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四733.雙向總線緩沖器gdir功能00a<=b01b<=a1X高阻雙向總線緩沖器真值表第73頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四74libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitytribigateis

port(a,b:inoutstd_logic_vector(7downto0);g,dir:instd_logic);endentitytribigate;architecturertloftribigateissignalaout,bout:std_logic_vector(7downto0);begin引腳框圖第74頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四75process(a,dir,g)isbeginif((g='0')and(dir='1'))thenbout<=a;elsebout<="ZZZZZZZZ";endif;b<=bout;endprocess;process(b,dir,g)isbeginif(g='0'anddir='0')thenaout<=b;elseaout<="ZZZZZZZZ";endif;a<=aout;endprocess;endarchitecturertl;b<=awhen(g='0')and(dir='0')else"ZZZZZZZZ";a<=bwhen(g='0')and(dir='1')else“ZZZZZZZZ”;gdir功能00a<=b01b<=a1X高阻真值表第75頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四76注意雙向總線緩沖器在功能仿真時(shí)的輸入波形設(shè)置a和b的輸入不要同時(shí)存在;設(shè)置a的輸入，應(yīng)將b的輸入設(shè)置為“ZZZZZZZZ”(高阻);轉(zhuǎn)換傳輸方向時(shí)，應(yīng)該以雙向阻塞作為間隔。b<=awhen(g='0')and(dir='0')else"ZZZZZZZZ";a<=bwhen(g='0')and(dir='1')else“ZZZZZZZZ”;第76頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四777.2時(shí)序邏輯電路的VHDL設(shè)計(jì)

時(shí)序電路與組合電路的區(qū)別在于，時(shí)序邏輯電路多了存儲(chǔ)電路部分，需要記錄目前的輸出信號(hào)狀態(tài)，用來(lái)與輸入信號(hào)一起，共同決定下一次輸出信號(hào)的狀態(tài)。本節(jié)內(nèi)容：時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)觸發(fā)器寄存器計(jì)數(shù)器第77頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四787.2.1時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)1.時(shí)鐘信號(hào)的描述時(shí)序邏輯電路的信號(hào)變化特點(diǎn)：任何時(shí)序邏輯電路以時(shí)鐘信號(hào)為驅(qū)動(dòng)；電路內(nèi)部信號(hào)的變化（或輸出信號(hào)的變化）只發(fā)生在特定的時(shí)鐘邊沿；其他時(shí)刻輸入信號(hào)的變化對(duì)電路不產(chǎn)生影響；所以，時(shí)鐘信號(hào)通常是描述時(shí)序邏輯電路程序的執(zhí)行條件；時(shí)序邏輯電路總是以時(shí)鐘進(jìn)程的形式進(jìn)行描述，一般有兩種形式。第78頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四791)進(jìn)程的敏感信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)process(clock_signal)isbeginif(clock_edge_condition)thensignal_out<=signal_in;…

其他時(shí)序語(yǔ)句；

…endif;endprocess;時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生變化時(shí)啟動(dòng)測(cè)試時(shí)鐘邊沿條件是否滿(mǎn)足，滿(mǎn)足則執(zhí)行時(shí)序電路所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句第79頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四802)進(jìn)程中使用wait語(yǔ)句等待時(shí)鐘processbegin

waituntil(clock_signal)and(clock_edge_condition);signal_out<=signal_in;…

其他時(shí)序語(yǔ)句；…endprocess;等待時(shí)鐘邊沿在程序中要說(shuō)明是使用時(shí)鐘上升沿還是下降沿；進(jìn)程中的敏感信號(hào)表，只能出現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘；wait語(yǔ)句只能放在進(jìn)程的最前面或最后面。第80頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四813)時(shí)鐘邊沿的描述A.上升沿ifclk=‘1’andclk’last_value=‘0’andclk’eventB.下降沿ifclk=‘0’andclk’last_value=‘1’andclk’event時(shí)鐘邊沿屬性描述的一般形式：

clock_siganl=current_valueandclock_signal’last_valueandclock_signal’event第81頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四822.復(fù)位信號(hào)時(shí)序邏輯電路的初始狀態(tài)應(yīng)由復(fù)位信號(hào)來(lái)設(shè)置，根據(jù)復(fù)位信號(hào)對(duì)時(shí)序邏輯電路復(fù)位操作的不同，可分為同步復(fù)位和異步復(fù)位。同步復(fù)位：復(fù)位信號(hào)有效，并且在給定的時(shí)鐘邊沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器才被復(fù)位。異步復(fù)位：復(fù)位信號(hào)一旦有效，時(shí)序邏輯電路立即回到初始狀態(tài)。第82頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四831)同步復(fù)位同步復(fù)位在以時(shí)鐘為敏感信號(hào)的進(jìn)程中定義，且用if語(yǔ)句來(lái)描述復(fù)位條件。形式A：

process(clock_signal)isbeginif(clock_edge_condition)then……endif;endprocess;if(reset_condition)thensignal_out<=reset_value;elsesignal_out<=signal_in;

其他時(shí)序語(yǔ)句；

endif;第83頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四84形式B：processbegin

waituntil(clock_signal)and(clock_edge_condition);if(reset_condition)thensignal_out<=reset_value;elsesignal_out<=signal_in;…

其它時(shí)序語(yǔ)句；

…endif;endprocess;第84頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四852)異步復(fù)位在描述上與同步方式的不同之處：進(jìn)程敏感信號(hào)表中應(yīng)有clk、reset同時(shí)存在；用if語(yǔ)句描述復(fù)位條件；在elsif段描述時(shí)鐘邊沿的條件，并加上event屬性。第85頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四86process(clock_signal,reset_signal)isbegin

if(reset_condition)then

signal_out<=reset_value;

elsif(clock’eventandclock_edge_condition)thensignal_out<=signal_in;…

其他時(shí)序語(yǔ)句；

…endif;endprocess;第86頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四877.2.2觸發(fā)器1.D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端時(shí)鐘輸入端數(shù)據(jù)輸出端dclkqn+1X0qnX1qn0上升沿01上升沿1

輸出只在時(shí)鐘邊沿時(shí)刻發(fā)生變化，輸入信號(hào)變化不能直接導(dǎo)致輸出變化。（邊沿控制）第87頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四88libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydff1isport(clk,d:instd_logic;q:outstd_logic);endentitydff1;architecturertlofdff1isbeginprocess(clk)isbeginif(clk'eventandclk='1')thenq<=d;endif;endprocess;endarchitecturertl;第88頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四89使用waituntil語(yǔ)句描述時(shí)鐘邊沿觸發(fā)條件libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydff11isport(clk,d:instd_logic;q:outstd_logic);endentitydff11;architecturertlofdff11isbeginprocessbegin

waituntilclk'eventandclk='1';

q<=d;endprocess;endarchitecturertl;作業(yè)：請(qǐng)大家用VHDL語(yǔ)言描述D鎖存器，輸出受時(shí)鐘電平控制，在高電平期間其輸出跟隨輸入變化。（電平控制）

第89頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四90libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydff2isport(clk,d,clr:instd_logic;q:outstd_logic);endentitydff2;architecturertlofdff2isbeginprocess(clk,clr)isbeginif(clr=‘0’)thenq<='0';elsif(clk'eventandclk='1')thenq<=d;endif;endprocess;endarchitecturertl;2.異步復(fù)位D觸發(fā)器第90頁(yè)，共195頁(yè)，2023年，2月20日，星期四913.異步置位/復(fù)位D觸發(fā)器libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydff3isport(clk,d,clr,ps