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1、第9章 硬件描述语言VHDL,学习要点,VHDL的主要构件 数据类型和运算 行为和结构描述,2.1概述,VHDL是一种标准化的硬件描述语言，它支持系统级、寄存器级和门级三个不同层次的设计。在数字系统从顶到底设计过程中，都可利用者同一硬件描述语言进行设计、模拟和存档。,组合电路传统的设计方法的有逻辑命题、列真值表、化简逻辑函数到画逻辑电路图。若设计的数字系统比较复杂，以上每一步都时候繁琐的工作，设计者对所作设计是否正确不易了解，与其它人员互相交流也不方便。为了便于利用计算机进行数字系统辅助设计，便于交流和存档，已开发出了各种硬件描述语言。,VHDL的主要优点是：,（1）覆盖面广，描述能力强，是一
2、个多层次的硬件描述语言； （2）可读性好，既能构被计算机接受，也容易被人理解； （3）生命期长，它的硬件描述与工艺技术无关，不会因工艺变化而过时； （4）支持大规模设计的分解和已有设计在利用，有利于有多人或多项目组共同完成一个大规模设计； （5）已成为IEEE承认的一个工业标准，成为一种通用的硬件描述语言。,2.2VHDL的主要构件,1.实体 实体（Entity）说明:描述设计实体的外部接口信号。 实体的一般格式： ENTITY 实体名 IS PORT(端口表)； 实体说明部分; BIGIN 实体语句部分； ENDENTITY实体名；,例2.1 或门的实体,ENTITY orgate IS P
3、ROT(a,b:IN BIT; z:OUT BIT); ENT orgate 实体部分的大写单词ENTITY、IS、OUT和END为关键字。VHDL本身不区分大小写，但为了程序清楚起见，本章都用大写表示。 端口信息描述了信号的流向、最常用的是输入和输出类型。BIT表示信号的数据类型为位，除此之外，他们还可以是整数、实数、无符号数、物理以及数据类型组成的记录和数组集合等。,2.结构体,电路描述部分称之为结构体，它用于 描述设计单元内部的行为、元件及连接关系。结构体定义出实体的功能，一个实体可以对应多个结构体，每个结构体代表该硬件的某一方面特性，例如行为特性或结构特性。每一特性的描述，又由于其层次
4、、实现方法不同形成多个结构体。结构体的一般格式为： ARCHITECTURE 结构体名OF实体名 IS 定义语句;(内部信号，常数，数据类型，函数定义等) BEGIN 并行处理语句； END 结构体名；,例2.2 或门的结构体,ARTHITECTURE b ehave OF orgate IS BEGIN or_fune:PROCESS(a,b) BEGIN IF(a=1or b=1)THEN Z=1； ELSE Z=0； END IF l; END PROCESS or_fune; END behave;,VHDL主要采取一下两种描述方式：,（1）行为描述：描述该设计单元的功能。主要使用函数
5、、过程和进程语句，以算法形式描述数据的交换和传送。 （2）结构描述：描述该单元的硬件结构,即该电路是如何构成的。主要使用配置指定语句及元件理化语句描述元件的类型及互连关系。,3.程序包,程序包（PACKAGE）是一种是包体中元件、子程序、公用数据类型和说明等其它设计单元可调用的设计单元。程序包包括程序包说明和程序包体。程序包说明为程序包定义接口，声明包中的类型、元件、子程序和说明，类似于实体ENTITY;程序包体规定程序的实际功能，存放元件和子程序等具体实现，类似于结构体ARCHITECTURE。,4.库,库（LIBRARY）是用来存放可编译的设计单元的地方。可以放置若干个程序包。 VHDL
6、语言库分为设计库和资源库。,2.3数据类型和运算,VHDL硬件描述语言中有三类对象：信号、变量和常量。一个信号和变量可以被赋予一系列的值，但一个常量只能被赋予一次值。变量于信号不同，分配给信号的值必须经过一定的时间演示后才能成为当前值，而分配给变量的值立即成为当前值。信号与硬件中的“连线”相对应，而变量在硬件中无对应物。 数据类型大体分为标量型和复合型。标量型只具有单一的值。这个无法在分解，标量类型的值可以按某一个尺度排序。标量型中主要有实数型、整数型、枚举型和物理型、复合型式有标量组成的数组或记录，其中含有多个值。,1.标量数据类型,标量数据类型是一种基本的数据类型，它包括有：字符、为、布尔
7、量、实数、整数、物理单位和枚举等。类型说明的一般形式是： TYPE类型名IS类型定义 一个字符放入但单引号中就定义了一个字符:x,字符可以是az中任一个字符、09中数字和特殊字符等等。 例2.3 枚举类型举例 TYPE my_state IS (reset,rw_ cycle,int_cycle)； SIGNAL state:my_state； state =reset; OK state=“00”； ERR,2.复合数据类型,复合类型的值可以分解为更细微的值。有两种复合类型：记录和数组。记录是异构复合类型，也就是说，记录的元素可以是不同的类型。一个记录类型的定义规定了一个或多个元素，每个元素
8、具有不同的名字，并且可任意具有不同类型。 例2.4 复合类型举例 TYPE Instruction IS RECORD Opcode_field; Opcode; Opcode_1: address; Opcode_2: address; END RECORD;,2.4 行为和结构描述,要描述数字系统的行为，必然要涉及并行关系和顺序关系， VHDL通过进程（PROCESS）来解决这个矛盾。VHDL在两个层次上定义了数字系统是行为；顺序（Sequential）和并发层。顺序层就是在每一个进程中用顺序语句规定它一步一步的行为；并发层就是定义这些进程互相的关系，特别是它们之间的信息传递问题。进程就是
9、VHDL中最主要的并发语句，是联系时序层和并发层的一种纽带，并发曾是VHDL可以在同一模拟时间运行许多不同的进程。,1.进程,进程（PROCESS）作为行为描述构造体中的一部分，它用时序语句，描述了硬件的行为。进程本身作为一并发语句，用来定义本进程的作用范围，描述了进程被激活后要执行的行为。进程每部可以使用变量。进程句法的一般形式为： 进程名PROCESS敏感信号表 变量说明语句； BEGIN 顺序说明语句； END PROCESS进程名；,2.并发行为,用硬件描述语言VHDL所设计的电子系统实际工作时是并行操作，所以系统中的元件在模拟时间上应该是同时运行。并发语句就是用来表示这种并发行为的。VHDL语言中电路描述部分（ARCHITECTURE）中的语句都是并行的，在字面上的顺序并不代表他们的执行顺序。,3.VHDL的行为描述,为描述是一种抽象的描述，它不具体对应电路的实现， 是用算法来对单元的功能进行描述。,2 选 1 选择器：,例：一个完整描述（3 bit 计数器）,