《VHDL設(shè)計(jì)初步》課件2

VHDL設(shè)計(jì)初步VHDL是一種硬件描述語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。此課程將帶領(lǐng)您深入了解VHDL的基礎(chǔ)知識(shí)，并學(xué)習(xí)如何使用VHDL來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字電路。VHDL簡(jiǎn)介硬件描述語(yǔ)言VHDL是IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，用于描述數(shù)字電路和系統(tǒng)。行為建模VHDL可用于描述電路的結(jié)構(gòu)和行為，并模擬電路的行為?？删C合性VHDL代碼可被綜合成實(shí)際的硬件電路，例如FPGA或ASIC。VHDL歷史沿革11980年代VHDL語(yǔ)言誕生于1980年代最初用于描述硬件電路，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域21987年IEEE發(fā)布了VHDL標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了VHDL語(yǔ)言的普及31993年IEEE發(fā)布了VHDL標(biāo)準(zhǔn)的修訂版，新增了多種功能42000年后VHDL語(yǔ)言不斷發(fā)展，支持更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展至其他領(lǐng)域VHDL語(yǔ)言特點(diǎn)11.硬件描述語(yǔ)言VHDL是一種專門用于描述硬件電路的語(yǔ)言，能夠精確地表達(dá)硬件結(jié)構(gòu)和行為。22.抽象級(jí)別高VHDL允許用高層次的抽象描述電路，屏蔽硬件細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。33.可移植性強(qiáng)VHDL代碼可移植到不同的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的設(shè)計(jì)。44.可重用性高VHDL支持模塊化設(shè)計(jì)，可以將常用的電路模塊封裝成可重復(fù)使用的組件。VHDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)實(shí)體實(shí)體描述電路外部接口，定義輸入輸出端口，并指定端口信號(hào)類型。架構(gòu)架構(gòu)部分描述電路內(nèi)部邏輯，包含行為描述、結(jié)構(gòu)描述和數(shù)據(jù)流描述等。配置配置用于將實(shí)體與架構(gòu)關(guān)聯(lián)，并將電路實(shí)例化到設(shè)計(jì)中。庫(kù)和包庫(kù)用于存放預(yù)定義的組件和數(shù)據(jù)類型，包則用于組織和管理相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和子程序?；菊Z(yǔ)法標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)符用于標(biāo)識(shí)實(shí)體、信號(hào)、變量等。由字母、數(shù)字和下劃線組成，且第一個(gè)字符必須是字母。注釋注釋用于解釋代碼，提高可讀性。以"--"開頭，直到行尾。關(guān)鍵字關(guān)鍵字是VHDL語(yǔ)言中具有特定含義的預(yù)定義詞語(yǔ)。例如：signal、variable、begin、end等。運(yùn)算符運(yùn)算符用于執(zhí)行各種操作，包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和關(guān)系運(yùn)算。數(shù)據(jù)類型整數(shù)類型表示無(wú)小數(shù)部分的數(shù)值，例如：-128、0、100實(shí)數(shù)類型表示帶有小數(shù)部分的數(shù)值，例如：3.14、-2.718布爾類型表示邏輯真值，只有兩種狀態(tài)：真（TRUE）或假（FALSE）字符串類型表示由字符組成的序列，例如："Hello,world!"信號(hào)和變量11.信號(hào)信號(hào)表示電路中信號(hào)的傳輸和變化，在仿真和綜合階段都有作用。22.變量變量用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主要用于過(guò)程塊內(nèi)部，僅在仿真過(guò)程中有效。33.區(qū)別信號(hào)反映電路中信號(hào)變化，而變量只在過(guò)程塊內(nèi)部有效，不反映真實(shí)信號(hào)變化。44.使用選擇信號(hào)或變量取決于設(shè)計(jì)需求，信號(hào)更接近硬件描述，變量更方便程序編寫。運(yùn)算符算術(shù)運(yùn)算符進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，包括加減乘除、取余等。比較運(yùn)算符比較兩個(gè)操作數(shù)大小，用于條件判斷，例如大于、小于、等于等。邏輯運(yùn)算符對(duì)布爾值進(jìn)行操作，例如與、或、非等。位運(yùn)算符對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行位操作，例如按位與、按位或、異或等。條件語(yǔ)句1IF語(yǔ)句判斷條件是否為真，如果為真則執(zhí)行特定語(yǔ)句。2ELSE語(yǔ)句當(dāng)IF語(yǔ)句條件不成立時(shí)執(zhí)行特定語(yǔ)句。3ELSIF語(yǔ)句多個(gè)條件判斷，依次執(zhí)行符合條件的語(yǔ)句。VHDL中的條件語(yǔ)句主要用于根據(jù)特定條件執(zhí)行不同的操作。IF語(yǔ)句是基礎(chǔ)，判斷條件是否滿足，滿足則執(zhí)行特定代碼塊。ELSE語(yǔ)句是IF語(yǔ)句的補(bǔ)充，當(dāng)IF語(yǔ)句條件不成立時(shí)，執(zhí)行ELSE語(yǔ)句代碼塊。ELSIF語(yǔ)句用于多個(gè)條件的判斷，依次執(zhí)行符合條件的語(yǔ)句塊，直到找到一個(gè)符合條件的語(yǔ)句塊。循環(huán)語(yǔ)句1循環(huán)語(yǔ)句VHDL語(yǔ)言支持循環(huán)語(yǔ)句，用于重復(fù)執(zhí)行一段代碼塊，直到滿足特定條件。2FOR循環(huán)FOR循環(huán)是VHDL中最常見的循環(huán)語(yǔ)句，用于循環(huán)執(zhí)行指定次數(shù)。3WHILE循環(huán)WHILE循環(huán)用于重復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到某個(gè)條件為假。4LOOP循環(huán)LOOP循環(huán)允許無(wú)限循環(huán)，需要使用EXIT語(yǔ)句跳出循環(huán)。子程序定義與調(diào)用子程序是一種可重復(fù)使用的代碼塊，用于執(zhí)行特定功能。它通過(guò)“過(guò)程”或“函數(shù)”的形式定義，并通過(guò)名稱調(diào)用。參數(shù)傳遞子程序可以接收參數(shù)，這些參數(shù)在調(diào)用時(shí)傳遞給子程序，以便在執(zhí)行過(guò)程中使用。參數(shù)可以是輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)或輸入輸出參數(shù)。包組織代碼包可以將相關(guān)的子程序、數(shù)據(jù)類型、常量等元素組織在一起，方便代碼管理和重用。代碼庫(kù)包可以作為一個(gè)代碼庫(kù)，包含常用功能的定義，方便其他模塊調(diào)用。訪問(wèn)控制包可以控制內(nèi)部元素的可見性和訪問(wèn)權(quán)限，保護(hù)代碼的完整性和安全性。實(shí)體定義實(shí)體是VHDL設(shè)計(jì)中描述硬件模塊功能和端口的結(jié)構(gòu)。作用實(shí)體定義了模塊的外部接口，包括輸入、輸出和雙向信號(hào)。語(yǔ)法實(shí)體使用關(guān)鍵字entity和endentity來(lái)定義。架構(gòu)11.結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)架構(gòu)描述實(shí)體功能實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。它包含信號(hào)、變量、過(guò)程、函數(shù)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)體功能邏輯。22.行為描述架構(gòu)通過(guò)行為描述來(lái)指定實(shí)體的行為，使用時(shí)序邏輯或組合邏輯。33.數(shù)據(jù)流描述架構(gòu)描述數(shù)據(jù)流，定義信號(hào)之間數(shù)據(jù)流動(dòng)，并使用算術(shù)和邏輯運(yùn)算。時(shí)序概念時(shí)序邏輯時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)取決于過(guò)去輸入和當(dāng)前輸入的影響。具有記憶功能的電路，狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。組合邏輯組合邏輯電路的狀態(tài)僅由當(dāng)前輸入決定，沒(méi)有記憶功能。輸出僅取決于當(dāng)前輸入，不受過(guò)去輸入影響。時(shí)鐘與延遲時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)是VHDL設(shè)計(jì)中最重要的信號(hào)之一，它決定了電路的運(yùn)行速度。延遲延遲是VHDL設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要概念，它描述了信號(hào)傳播的時(shí)間。時(shí)鐘與延遲關(guān)系時(shí)鐘信號(hào)和延遲共同決定了電路的時(shí)序特性。觸發(fā)器基本概念觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序電路的基本單元，存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位的信息。類型常見的觸發(fā)器類型包括D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、JK觸發(fā)器等，它們擁有不同的輸入輸出關(guān)系和功能。工作原理觸發(fā)器通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的控制，在特定的時(shí)刻將輸入值存儲(chǔ)到內(nèi)部狀態(tài)，并在輸出端輸出存儲(chǔ)的值。組合邏輯電路組合邏輯特點(diǎn)組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前輸入信號(hào)，不依賴于之前狀態(tài)。常用邏輯門組合邏輯電路使用邏輯門構(gòu)建，包括與門、或門、非門、異或門等。應(yīng)用場(chǎng)景加法器譯碼器數(shù)據(jù)選擇器時(shí)序電路觸發(fā)器時(shí)序電路的核心元件，用于存儲(chǔ)信息并根據(jù)輸入信號(hào)改變狀態(tài)。時(shí)序邏輯電路的輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還受之前狀態(tài)的影響，具有記憶功能。時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)器狀態(tài)變化由時(shí)鐘信號(hào)控制，保證電路同步工作。設(shè)計(jì)方法可以使用狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各種時(shí)序電路。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器類型存儲(chǔ)器有很多種類，例如RAM、ROM、EEPROM等，每種都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。存儲(chǔ)器地址每個(gè)存儲(chǔ)器單元都有唯一的地址，用于訪問(wèn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，就像門牌號(hào)碼一樣，方便找到數(shù)據(jù)所在位置。存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器容量表示其能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的總量，通常以字節(jié)為單位，例如1KB、1MB等。狀態(tài)機(jī)11.概述狀態(tài)機(jī)是一種抽象模型，描述了系統(tǒng)在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的過(guò)程。22.類型狀態(tài)機(jī)可分為米里型和穆爾型，分別由當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入以及當(dāng)前狀態(tài)決定輸出。33.應(yīng)用狀態(tài)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理等。44.設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)需要明確狀態(tài)、輸入、輸出和轉(zhuǎn)移條件，并根據(jù)需求進(jìn)行狀態(tài)機(jī)編碼。硬件仿真仿真工具常用的VHDL仿真工具包括ModelSim、QuestaSim等。仿真工具通過(guò)模擬電路的行為來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯。仿真流程首先，需要?jiǎng)?chuàng)建仿真測(cè)試平臺(tái)，包括輸入信號(hào)激勵(lì)和輸出信號(hào)觀察。其次，運(yùn)行仿真工具并觀察仿真結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯是否正確。綜合設(shè)計(jì)將VHDL代碼轉(zhuǎn)換成硬件電路綜合工具將VHDL代碼轉(zhuǎn)換成硬件電路的描述。目標(biāo)硬件平臺(tái)綜合工具生成的目標(biāo)硬件平臺(tái)，通常是FPGA芯片。設(shè)計(jì)流程綜合設(shè)計(jì)是VHDL設(shè)計(jì)流程中的重要步驟，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為硬件電路實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例是學(xué)習(xí)VHDL的有效方法，通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)練習(xí)可以加深對(duì)語(yǔ)言的理解。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，可以學(xué)習(xí)到VHDL的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)方法。另一個(gè)例子是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字顯示器，可以學(xué)習(xí)到VHDL的組合邏輯設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)調(diào)試錯(cuò)誤識(shí)別檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤，邏輯錯(cuò)誤，時(shí)序錯(cuò)誤等，以確保設(shè)計(jì)符合預(yù)期功能。仿真驗(yàn)證使用仿真工具模擬電路行為，驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯和時(shí)序是否正確，并修正錯(cuò)誤。代碼優(yōu)化通過(guò)代碼優(yōu)化，提高電路性能，降低資源消耗，提高效率和可靠性。測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)測(cè)試用例，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期功能，并進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化。測(cè)試驗(yàn)證功能測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)期功能，包括邏輯功能和時(shí)序行為。可以采用測(cè)試向量或仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。性能測(cè)試評(píng)估設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，例如速度、功耗、面積等，確保其滿足設(shè)計(jì)要求?？煽啃詼y(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)在各種環(huán)境和條件下的可靠性，包括溫度、電壓變化、噪聲干擾等。安全性測(cè)試評(píng)估設(shè)計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性，防止出現(xiàn)潛在的故障和錯(cuò)誤。FPGA實(shí)現(xiàn)硬件描述語(yǔ)言將VHDL代碼轉(zhuǎn)換為FPGA芯片內(nèi)部的硬件電路結(jié)構(gòu)。配置FPGA將編譯后的配置文件加載到FPGA芯片中。測(cè)試驗(yàn)證確保FPGA電路按照預(yù)期執(zhí)行。設(shè)計(jì)流程