vhdl設(shè)計(jì)初步(新模版)課件

VHDL設(shè)計(jì)初步本課程將介紹VHDL的基本語(yǔ)法，并帶領(lǐng)大家進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)練習(xí)。byVHDL簡(jiǎn)介硬件描述語(yǔ)言VHDL是一種用于描述電子硬件的語(yǔ)言，用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證數(shù)字電路?？勺x性強(qiáng)VHDL語(yǔ)法類似于自然語(yǔ)言，便于理解和編寫代碼?？梢浦残院肰HDL語(yǔ)言獨(dú)立于硬件平臺(tái)，可用于不同的芯片制造商和技術(shù)。VHDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)實(shí)體用于描述硬件模塊的外部接口和行為。架構(gòu)體用于描述硬件模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。信號(hào)用于在硬件模塊之間傳遞數(shù)據(jù)。VHDL基本模型行為模型描述電路的功能，不關(guān)注具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。使用過(guò)程語(yǔ)句和信號(hào)賦值來(lái)描述電路行為。例如，使用“if-then-else”語(yǔ)句來(lái)描述一個(gè)加法器的行為。結(jié)構(gòu)模型描述電路的結(jié)構(gòu)，通過(guò)連接不同的基本電路模塊來(lái)構(gòu)建復(fù)雜電路。使用實(shí)例化語(yǔ)句來(lái)創(chuàng)建電路模塊的實(shí)例，并使用信號(hào)連接不同模塊的端口。數(shù)據(jù)流模型描述電路中數(shù)據(jù)流的流動(dòng)，使用賦值語(yǔ)句和算術(shù)運(yùn)算符來(lái)描述數(shù)據(jù)在電路中的處理方式。每個(gè)賦值語(yǔ)句表示一個(gè)數(shù)據(jù)流，例如，一個(gè)賦值語(yǔ)句可以描述一個(gè)加法器的輸入和輸出之間的數(shù)據(jù)流。實(shí)體ENTITY定義1定義實(shí)體是VHDL中用來(lái)描述硬件模塊的基本單元。它類似于硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)黑盒子，只描述模塊的外部接口，而不涉及內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。2語(yǔ)法實(shí)體定義使用ENTITY關(guān)鍵字，后跟實(shí)體名稱和端口定義。端口定義用于描述模塊的輸入和輸出信號(hào)。3實(shí)例化實(shí)體可以通過(guò)實(shí)例化語(yǔ)句在其他模塊中使用，將實(shí)體實(shí)例化成一個(gè)具體的硬件模塊。端口PORT定義1方向輸入(IN)或輸出(OUT)2數(shù)據(jù)類型例如：STD_LOGIC,BIT,INTEGER3名稱用于標(biāo)識(shí)端口架構(gòu)ARCHITECTURE定義1描述硬件行為2定義實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)3實(shí)現(xiàn)功能邏輯數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符數(shù)據(jù)類型VHDL支持多種數(shù)據(jù)類型，包括：位類型(BIT)標(biāo)準(zhǔn)邏輯類型(STD_LOGIC)整型(INTEGER)實(shí)型(REAL)枚舉類型(ENUMERATION)運(yùn)算符VHDL提供各種運(yùn)算符，用于執(zhí)行算術(shù)、邏輯、關(guān)系和位操作，例如：算術(shù)運(yùn)算符:+,-,*,/,MOD,**邏輯運(yùn)算符:AND,OR,XOR,NOT關(guān)系運(yùn)算符:=,/=,<,>,<=,>=位運(yùn)算符:AND,OR,XOR,NOT,&常量與變量1常量在整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程中保持不變的值。使用關(guān)鍵字CONST定義。常量可以在設(shè)計(jì)中被多次使用，從而提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。2變量在程序執(zhí)行過(guò)程中可以改變的值。使用關(guān)鍵字SIGNAL或VARIABLE定義。變量是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容器，可以在程序中被修改。它們是設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。過(guò)程語(yǔ)句順序執(zhí)行過(guò)程語(yǔ)句按照順序執(zhí)行，類似于編程語(yǔ)言中的函數(shù)或方法。敏感信號(hào)列表過(guò)程語(yǔ)句包含一個(gè)敏感信號(hào)列表，當(dāng)列表中任何信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，過(guò)程語(yǔ)句將被執(zhí)行。并行執(zhí)行過(guò)程語(yǔ)句可以在硬件中并行執(zhí)行，多個(gè)過(guò)程語(yǔ)句可以同時(shí)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)并行處理。條件語(yǔ)句1IF語(yǔ)句根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同的代碼2CASE語(yǔ)句根據(jù)條件選擇執(zhí)行不同的代碼3WHEN語(yǔ)句匹配特定條件執(zhí)行代碼循環(huán)語(yǔ)句1for循環(huán)用于重復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到滿足條件為止。2while循環(huán)在條件滿足的情況下，重復(fù)執(zhí)行一段代碼。3loop循環(huán)無(wú)限循環(huán)，直到遇到退出循環(huán)的語(yǔ)句。軟件仿真功能驗(yàn)證在實(shí)際硬件實(shí)現(xiàn)之前，可以使用軟件仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能是否正確。調(diào)試錯(cuò)誤在軟件仿真中，可以方便地調(diào)試代碼，找出設(shè)計(jì)中的邏輯錯(cuò)誤。優(yōu)化性能通過(guò)仿真，可以評(píng)估設(shè)計(jì)的性能，例如速度和資源利用率。硬件建模行為描述描述電路的功能，而不關(guān)心電路的具體實(shí)現(xiàn)方式。結(jié)構(gòu)描述描述電路的結(jié)構(gòu)，包括各個(gè)器件的連接方式。數(shù)據(jù)流描述描述數(shù)據(jù)在電路中的流動(dòng)方式，以及各個(gè)器件對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式。時(shí)序建模上升沿觸發(fā)在時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生變化。下降沿觸發(fā)在時(shí)鐘信號(hào)下降沿時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生變化。時(shí)鐘信號(hào)寬度時(shí)鐘信號(hào)的脈沖寬度影響電路的時(shí)序行為。組合邏輯電路設(shè)計(jì)基本概念組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前的輸入，不依賴于之前的狀態(tài)。常用結(jié)構(gòu)常見的組合邏輯電路結(jié)構(gòu)包括編碼器、譯碼器、多路選擇器、比較器等。設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)組合邏輯電路通常使用真值表、卡諾圖或布爾表達(dá)式進(jìn)行邏輯實(shí)現(xiàn)。實(shí)例例如，使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的2-to-4譯碼器。時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)1觸發(fā)器基本存儲(chǔ)單元2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖3移位寄存器數(shù)據(jù)位移狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)1狀態(tài)描述系統(tǒng)不同行為的階段2事件觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件3動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)執(zhí)行的操作存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)1寄存器最基本的存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)單個(gè)數(shù)據(jù)位或字。例如：D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器。2RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，可隨機(jī)訪問(wèn)任何存儲(chǔ)位置。主要分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）。3ROM只讀存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在制造時(shí)被寫入，無(wú)法修改。用于存放程序代碼、常量數(shù)據(jù)等。4FIFO先進(jìn)先出隊(duì)列，數(shù)據(jù)按先進(jìn)先出的順序進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取。設(shè)計(jì)綜合1邏輯優(yōu)化將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)。2技術(shù)映射將邏輯結(jié)構(gòu)映射到目標(biāo)器件的庫(kù)單元。3時(shí)序優(yōu)化優(yōu)化時(shí)序性能，確保設(shè)計(jì)滿足時(shí)序要求。綜合報(bào)告分析綜合報(bào)告分析綜合報(bào)告以了解設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期，并識(shí)別潛在問(wèn)題。時(shí)序分析檢查時(shí)序路徑、關(guān)鍵路徑和時(shí)序裕量，確保設(shè)計(jì)滿足時(shí)序要求。資源利用評(píng)估邏輯門、寄存器、RAM和其他資源的使用情況，優(yōu)化資源分配。管腳分配1引腳定義確定每個(gè)引腳的功能，例如輸入、輸出、電源、接地等。2分配原則根據(jù)設(shè)計(jì)需求，將引腳分配給不同的信號(hào)和功能。3信號(hào)分配將輸入信號(hào)分配到輸入引腳，將輸出信號(hào)分配到輸出引腳。4電源接地將電源引腳連接到電源，將接地引腳連接到接地。IO標(biāo)準(zhǔn)選擇速度選擇合適的IO標(biāo)準(zhǔn)可以提高速度和性能。信號(hào)完整性IO標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響信號(hào)的完整性和抗干擾能力。功耗不同的IO標(biāo)準(zhǔn)會(huì)消耗不同的能量。成本不同的IO標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格會(huì)有所不同。時(shí)序分析時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期是時(shí)鐘信號(hào)從一個(gè)上升沿到下一個(gè)上升沿的時(shí)間間隔。建立時(shí)間建立時(shí)間是指在時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)之前，數(shù)據(jù)信號(hào)必須保持穩(wěn)定的最小時(shí)間間隔。保持時(shí)間保持時(shí)間是指在時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)之后，數(shù)據(jù)信號(hào)必須保持穩(wěn)定的最小時(shí)間間隔。靜態(tài)時(shí)序約束設(shè)置時(shí)鐘定義時(shí)鐘信號(hào)的周期、相位和占空比等參數(shù)，為時(shí)序分析提供基本信息。指定延遲設(shè)定信號(hào)在不同路徑上的延遲，包括組合邏輯路徑和時(shí)序路徑的延遲。設(shè)置約束定義時(shí)序指標(biāo)，例如建立時(shí)間、保持時(shí)間、最大延遲等，確保電路滿足時(shí)序要求。動(dòng)態(tài)時(shí)序約束動(dòng)態(tài)時(shí)序約束動(dòng)態(tài)時(shí)序約束是指在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整時(shí)序約束。這些約束可以隨設(shè)計(jì)變化而調(diào)整，以確保在不同條件下都能滿足時(shí)序要求。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是動(dòng)態(tài)時(shí)序約束的一種應(yīng)用，通過(guò)改變電路的電壓來(lái)控制電路的性能，從而優(yōu)化功耗和性能的平衡。時(shí)鐘門控時(shí)鐘門控是一種常見的動(dòng)態(tài)時(shí)序約束技術(shù)，通過(guò)關(guān)閉不必要的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)減少功耗，并提高性能。設(shè)計(jì)調(diào)試仿真測(cè)試使用仿真工具驗(yàn)證設(shè)計(jì)行為，發(fā)現(xiàn)并修復(fù)邏輯錯(cuò)誤。硬件測(cè)試在實(shí)際硬件平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能和性能。調(diào)試工具使用邏輯分析儀、示波器等工具觀察信號(hào)波形，定位問(wèn)題。版本管理跟蹤代碼變更版本控制系統(tǒng)可以記錄所有代碼變更，方便追蹤問(wèn)題和恢復(fù)舊版本。團(tuán)隊(duì)協(xié)作多人協(xié)作開發(fā)時(shí)，版本控制系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)代碼修改，避免沖突。代碼備份版本控制系統(tǒng)提供代碼備份功能，防止意外數(shù)據(jù)丟失。設(shè)計(jì)文檔設(shè)計(jì)規(guī)范詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)原理，架構(gòu)，功能，接口，性能，測(cè)試用例等等代碼注釋清晰易懂，便于閱讀和維護(hù)設(shè)計(jì)流程記錄設(shè)計(jì)步驟，版本迭代，問(wèn)題解決等等設(shè)計(jì)流程總結(jié)設(shè)計(jì)軟件選擇合適的電子電路設(shè)計(jì)軟件，例如AlteraQuartusII、XilinxVivado、ModelSim等，