VLSI設(shè)計(jì)課件三硬件描述語言VHDL

VLSI設(shè)計(jì)課件三硬件描述語言VHDL目錄CONTENCTVHDL簡介VHDL基本語法VHDL設(shè)計(jì)方法VHDL設(shè)計(jì)實(shí)例VHDL設(shè)計(jì)工具與仿真01VHDL簡介VHDL起源于1982年，由美國國防部為描述電子系統(tǒng)而開發(fā)。1987年，VHDL被IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)采納，成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為1076的硬件描述語言標(biāo)準(zhǔn)。隨著電子系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，VHDL在硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。VHDL的起源和歷史01020304高度抽象強(qiáng)大的模擬能力強(qiáng)大的庫支持強(qiáng)大的仿真工具VHDL的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)VHDL擁有豐富的庫，包括各種基本元件、邏輯門、存儲(chǔ)器等，方便設(shè)計(jì)者使用。VHDL具有強(qiáng)大的模擬功能，能夠模擬電路的行為和性能。VHDL使用高級(jí)描述語言，允許設(shè)計(jì)者在較高的抽象層次上描述電路結(jié)構(gòu)和行為。VHDL具有多種仿真工具，能夠進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，方便驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。數(shù)字電路設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)VHDL廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，如微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、FPGA等。在集成電路設(shè)計(jì)中，VHDL用于描述和驗(yàn)證電路的行為和性能。在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中，VHDL用于描述和驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的行為和性能。VHDL的應(yīng)用領(lǐng)域02VHDL基本語法80%80%100%實(shí)體實(shí)體用于描述電路的輸入和輸出端口。entityentity_nameis[generic_map];port(port_name:mode[constraint]);endentity;entityAND2isport(A,B:instd_logic;Y:outstd_logic);endentity;實(shí)體描述語法格式示例結(jié)構(gòu)體描述結(jié)構(gòu)體用于描述電路的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。語法格式architecturearchitecture_nameofentity_nameis[architecture_declarations];begin[architecture_body];endarchitecture;示例architectureBehavioralofAND2isbeginY<=AandB;endarchitecture;結(jié)構(gòu)體庫庫用于存放常用的類型、函數(shù)、操作符等。程序包程序包用于將相關(guān)的類型、函數(shù)、操作符等組織在一起。語法格式librarylibrary_name;uselibrary_name.package_name;示例libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;庫和程序包0102030405標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型用戶定義的數(shù)據(jù)類型枚舉類型數(shù)組類型指針類型如std_logic、std_logic_vector等。如record、type等。如enumeration。如array。如pointer。數(shù)據(jù)類型0102030405邏輯運(yùn)算符and、or、not。關(guān)系運(yùn)算符=、/=、<、>、<=、>=。算術(shù)運(yùn)算符+、-、*、/、mod。位運(yùn)算符&、~、^、<<、>>。移位運(yùn)算符sll、srl、slA。運(yùn)算符如size、left、right等。數(shù)值屬性如is_X等。邏輯屬性屬性03VHDL設(shè)計(jì)方法概念優(yōu)點(diǎn)自頂向下設(shè)計(jì)方法從系統(tǒng)總體功能和規(guī)格開始，逐步細(xì)化設(shè)計(jì)，直到實(shí)現(xiàn)電路的物理設(shè)計(jì)。有利于系統(tǒng)功能的早期驗(yàn)證，可以早期發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改，避免設(shè)計(jì)返工。010203實(shí)施步驟1.確定系統(tǒng)功能和規(guī)格。2.高層次的系統(tǒng)描述和模擬。自頂向下設(shè)計(jì)方法035.電路布局和布線。013.模塊劃分和設(shè)計(jì)。024.詳細(xì)設(shè)計(jì)和模擬。自頂向下設(shè)計(jì)方法層次化設(shè)計(jì)方法概念將復(fù)雜的設(shè)計(jì)按照功能和結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試。優(yōu)點(diǎn)有利于多人協(xié)同設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理，可以并行工作，提高設(shè)計(jì)效率。層次化設(shè)計(jì)方法0102031.確定系統(tǒng)功能和規(guī)格。2.系統(tǒng)模塊劃分。實(shí)施步驟3.模塊設(shè)計(jì)和仿真。5.電路布局和布線。4.模塊集成和系統(tǒng)仿真。層次化設(shè)計(jì)方法概念使用高級(jí)語言對(duì)電路的行為進(jìn)行描述，不涉及具體的電路實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)有利于復(fù)雜電路的行為模擬和驗(yàn)證，可以快速建立模型并進(jìn)行仿真測(cè)試。行為描述方法行為描述方法01實(shí)施步驟021.確定電路功能和行為。2.使用高級(jí)語言編寫行為描述代碼。033.進(jìn)行行為模擬和驗(yàn)證。4.根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。行為描述方法04VHDL設(shè)計(jì)實(shí)例總結(jié)詞通過實(shí)例展示如何使用VHDL進(jìn)行組合邏輯電路設(shè)計(jì)。詳細(xì)描述組合邏輯電路是數(shù)字電路中最基本的類型，其特點(diǎn)是輸入信號(hào)的變化立即反映在輸出信號(hào)上。以下是一個(gè)簡單的VHDL組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例，如一個(gè)2輸入的AND門組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例010203```vhdllibraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例entityand2isPort(A,B:inSTD_LOGIC;Y:outSTD_LOGIC);endand2;architectureBehavioralofand2is組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例beginendBehavioral;Y<=AandB;```組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例通過實(shí)例展示如何使用VHDL進(jìn)行時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)詞時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)是具有記憶功能，其輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，還與之前的輸入有關(guān)。以下是一個(gè)簡單的VHDL時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例，如一個(gè)D觸發(fā)器詳細(xì)描述時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例01```vhdl02libraryIEEE;03useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例entityD_FlipFlopis02Port(D,Clk:inSTD_LOGIC;03Q,Q_bar:outSTD_LOGIC);01endD_FlipFlop;architectureBehavioralofD_FlipFlopis時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例beginprocess(Clk)beginifrising_edge(Clk)then時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例123Q<=D;endif;endprocess;時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例VSendBehavioral;```時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例通過實(shí)例展示如何使用VHDL進(jìn)行微處理器設(shè)計(jì)。微處理器是計(jì)算機(jī)的核心部件，其功能非常復(fù)雜。以下是一個(gè)簡單的VHDL微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例，如一個(gè)簡單的4位加法器微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)描述總結(jié)詞libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;```vhdl微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例entityAdder4isPort(A,B:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例inSTD_LOGIC;outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0));CinSum微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例endAdder4;architectureBehavioralofAdder4is微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例beginSum<="0000"&(A+B+Cin)(3downto0);微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例endBehavioral;```微處理器設(shè)計(jì)實(shí)例05VHDL設(shè)計(jì)工具與仿真ModelSimEDA工具M(jìn)ATLAB/SimulinkVHDL設(shè)計(jì)工具包括Cadence、Synopsys等公司的軟件，這些工具集成了電路設(shè)計(jì)、布局、布線、物理驗(yàn)證等功能，支持VHDL設(shè)計(jì)，并提供了豐富的庫和IP核。雖然不是專門針對(duì)VHDL設(shè)計(jì)的工具，但MATLAB/Simulink提供了強(qiáng)大的模擬和仿真功能，可以用于模擬和驗(yàn)證基于VHDL的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，支持多種硬件描述語言，包括VHDL和Verilog。它提供了豐富的庫和仿真引擎，能夠進(jìn)行高效的電路仿真和驗(yàn)證。VHDL仿真工具是Cadence公司提供的一款仿真工具，支持多種硬件描述語言，包括VHDL。它提供了高性能的仿真引擎和庫，能夠進(jìn)行高效的電路仿真和驗(yàn)證。NC-Sim如前所述，ModelSim是一款強(qiáng)大的仿真工具，支持VHDL的仿真，能夠進(jìn)行行為級(jí)、RTL級(jí)和門級(jí)仿真。ModelSim是一款功能強(qiáng)大的仿真工具，支持多種硬件描述語言，包括VHDL。它提供了豐富的庫和仿真引擎，能夠進(jìn)行高效的電路仿真和驗(yàn)證。Debussy流程實(shí)例VHDL仿真流程與實(shí)例VHDL仿真的流程通常包括編寫VHDL代碼、編譯代