《VHDL的基本语法》课件

的基本语法VHDLVHDL是一种用于描述数字电路和系统行为的硬件描述语言它提供了一种强大的方式来定义电子设计并实现自动合成掌握VHDL的基本语法是设计和开发电子产品的关键简介VHDL描述硬件行为的语言应用于电子电路设计高度描述和抽象能力标准化的硬件描述语言VHDL是一种硬件描述语言VHDL是被广泛应用于集成电相比于传统的电路设计方法VHDL是一种标准化的硬件描Hardware Description路、可编程逻辑器件如FPGA,VHDL具有更强的抽象能力和述语言,得到了广泛认可和应用Language,HDL，用于描和CPLD以及其他电子系统的描述能力,可以提高设计效率并,有助于设计的可移植性和重用述数字电路的结构和行为它设计与仿真中降低错误率性可以应用于各种电子系统的设计和分析的历史发展VHDL年代19801VHDL首次出现,由美国国防部资助开发年代19902VHDL成为IEEE1076标准,广泛应用于电子设计自动化年代20003VHDL持续完善,并结合FPGA技术广泛应用于电子产品设计VHDLVHSIC硬件描述语言于1980年代诞生,由美国国防部资助开发,旨在规范电子电路设计过程经过30多年的发展,VHDL已经成为电子设计自动化领域的主流语言,并与FPGA等新兴技术深度融合,广泛应用于各类电子产品的设计开发中的应用领域VHDL数字电路设计系统级设计VHDL广泛应用于各类数字电路的VHDL能够描述复杂的系统级电路设计和仿真,如微处理器、内存、,如ASIC和FPGA,支持模块化设计存储器、总线控制器等和层次化建模硬件加速器仿真和验证VHDL可用于开发专用硬件加速器VHDL广泛用于数字电路的功能仿,提高数字信号处理、图像处理等真和验证,有助于发现和修复设计应用的计算性能错误的基本语法结构VHDL整体结构基本语法元素数据类型VHDL程序由实体entity和体系结构VHDL包含实体声明、体系结构声明、过程VHDL支持丰富的数据类型,包括标量类型architecture两个基本部分组成实体描语句、赋值语句等基本语法元素,可以灵活、枚举类型、数组类型、记录类型等,能够述了模块的输入输出接口，体系结构描述了组合实现复杂的数字电路精确描述数字电路中的各种信号模块的行为和内部结构实体声明Entity定义输入输出端口描述电路功能12实体声明用于定义电路的输入实体声明还可以包含对电路功输出端口，包括端口名称、数能的简要说明,以便于其他开发据类型和方向者理解声明通用参数命名规范34实体声明还可以定义适用于整实体名称通常采用大写开头,遵个电路的通用参数,如位宽、速循清晰简洁的命名习惯度等体系结构声明Architecture架构定义体系结构体系结构Architecture声明描述了体系结构以图形化的方式展示了系统系统的内部实现细节,包括行为、功能的内部结构和模块之间的连接和时序关系逻辑实现代码编写体系结构声明定义了如何使用VHDL编写体系结构声明需要编写VHDL代语句进行数字逻辑的实现码来描述系统的内部功能实现过程语句Process并发执行敏感列表12VHDL中的过程语句可以并发执行,无需等待前一个过程完成过程语句包含一个敏感列表,当列表中的任何信号发生变化时,过程将重新执行顺序逻辑变量赋值34过程内部的语句按顺序执行,可以实现复杂的顺序逻辑过程语句中可以对变量进行赋值,并在后续语句中使用赋值语句变量赋值信号赋值常量赋值多重赋值VHDL使用赋值语句:=来给VHDL使用赋值语句=来给VHDL使用等号=来给常量VHDL支持用单条赋值语句给变量赋值变量可以是标量类信号赋值信号一般用于描述赋值常量在运行时不会改变,多个变量或信号赋值,提高了代型、枚举类型或数组类型电路部件之间的连接常用于定义电路的固定参数码的简洁性信号声明Signal数据定义使用signal关键字声明信号，可以定义各种数据类型的数据信号信号流向信号的方向可以是in、out或inout，用于控制数据的流向信号连接信号可以连接实体的端口、过程内部的变量或常量变量声明Variable变量概念变量声明语法变量与信号的区别VHDL中的变量是可以在程序内部存储和修变量的声明语法为variable变量名:数据变量只存在于程序内部,而信号是设计中可改数据的内存容器它们在程序执行期间存类型:=初始值;可以在进程内部使用该变观测的外部连接点两者在使用场景和传播在,可以在进程内部自由使用量存储中间计算结果机制上有所不同常量声明Constant定义特性作用与用途常量是在编译时就确定的值,不可常量常用于表示系统中的重要参数被修改常量声明使用关键字,如数据位宽、时钟频率等,提高代CONSTANT来定义码的可读性和可维护性类型声明常量必须声明其数据类型,可以是标准类型如整型、浮点型,也可以是自定义枚举类型枚举类型Enumeration Type枚举类型定义枚举类型声明枚举类型应用枚举类型特点枚举类型允许用户定义一组有在VHDL中,枚举类型使用枚举类型广泛应用于状态机设枚举类型是离散的、有限的,可限的、离散的值这些值通常type关键字进行定义,并列举计、控制逻辑、参数选择等场以直接进行比较和赋值操作表示某种状态或模式,如开/关出所有可能的值景,提高代码的可读性和可维护编译器能够对其进行类型检查、红/绿/蓝等性数组类型Array定义数组访问数组元素VHDL中可以定义一维或多维的数组可以通过数组下标来访问和操作数组类型，用以存储具有相同数据类型的中的单个元素下标从0开始一组数据数组范围数组类型声明数组的范围可以是离散的整数值,也可使用type和array关键字来声明数组以是枚举类型的值数组索引可以是类型,指定元素类型和数组范围升序或降序记录类型Record结构化类型灵活和可扩展VHDL中的记录类型是一种结构化记录类型允许用户自定义复杂的数的数据类型，可以包含不同类型的据结构，可以根据需求添加或删除元素它类似于面向对象编程语言元素，提高了代码的灵活性中的结构体描述复杂对象记录类型非常适合用于描述复杂的硬件对象,如寄存器、状态机等,增强了VHDL的建模能力逻辑运算符与运算符或运算符1AND2OR当所有输入条件都为真时返回当任一输入条件为真时返回真真值表示且的逻辑关系值表示或的逻辑关系非运算符异或运算符3NOT4XOR将输入条件的真值取反,真变假,当输入条件不同时返回真值,相假变真表示非的逻辑关系同时返回假值表示异或的逻辑关系算术运算符加法运算符减法运算符乘法运算符除法运算符用于两个数相加得出结果的数学用于从一个数中减去另一个数得用于两个数相乘得出结果的数学用于将一个数除以另一个数得出运算符例如A+B=C出结果的数学运算符例如A运算符例如A*B=C结果的数学运算符例如A/-B=C B=C关系运算符等于不等于=/=检查两个值是否相等例如，A=B判断A是否等于B检查两个值是否不相等例如，A/=B判断A是否不等于B大于小于检查一个值是否大于另一个值例如，AB判断A是否大于检查一个值是否小于另一个值例如，AB判断A是否小于B B位运算符位与运算位或运算位非运算位异或运算位与运算将两个输入位逐位进行位或运算将两个输入位逐位进行位非运算将输入位逐位取反当位异或运算将两个输入位逐位进逻辑与操作当两位均为1时，逻辑或操作当两位有一位为1输入位为0时，结果位为1；当行逻辑异或操作当两位不同时结果位才为1，否则为0常用时，结果位为1，否则为0常输入位为1时，结果位为0常，结果位为1；当两位相同时，于掩码操作和状态控制用于状态合并或信号检测用于状态取反或数据翻转结果位为0常用于校验和计算和数据比较连接操作符连接操作符级联连接应用场景用于连接两个信号或变量,生成一个新多个连接操作符可以级联使用,将多个常用于拼接数据总线、连接复杂结构的复合信号信号/变量连接成一个复合信号体等场景条件语句if-then-else简单语句if-then用于检查条件,如果条件为真则执行相应语句语句if-then-else在条件为真时执行一组语句,条件为假时执行另一组语句嵌套条件语句在if-then-else语句内部嵌套其他条件语句,用于处理更复杂的逻辑选择语句case多路选择1可以基于变量的值选择不同的执行分支条件判断2每个分支都对应一个特定的条件灵活性强3适用于需要根据输入做出复杂决策的场景VHDL中的选择语句case可以让设计者根据变量的值灵活地选择不同的执行分支它提供了一种直观高效的多路判断方式,能够满足各种复杂的逻辑需求相比if-then-else语句,case语句在表达能力和可读性上都有优势循环语句loop基本语句loop1loop语句用于实现重复执行的功能它包括循环体和循环控制条件循环while2在循环体中，while循环会一直执行直到循环条件为假可用于实现复杂的逻辑控制循环for3for循环可以指定循环次数，常用于遍历数组或执行固定次数的操作等待语句wait等待信号1等待某个信号的变化等待时间2等待一段指定的时间等待条件3等待某个条件变为真VHDL的等待语句wait用于暂停仿真的执行,直到满足某个条件这种条件可以是信号的变化、经过的时间或某个表达式的结果等待语句可以控制电路的时间行为,以满足设计需求时序语句时序语句的作用时序语句用于定义电路的时序行为,描述电路中各信号之间的时序关系时钟信号时序语句常与时钟信号配合使用,在时钟边沿触发电路的状态变化数据传输时序语句可以控制不同模块间的数据传输时序,确保数据的准确性同步复位和同步置位同步复位同步置位同步复位是一种数字电路设计常用的复位方式，它会在时钟的上升同步置位与同步复位类似，也是在时钟信号的边沿触发它用于将沿或下降沿触发复位，确保电路处于已知的初始状态这种方式比电路的状态设置为预定义的值，而不是复位到初始状态这增加了异步复位更可靠和稳定电路的灵活性和功能性事件驱动仿真实时响应提高效率事件驱动仿真可以实时响应电路中相比于时间驱动仿真,事件驱动仿发生的各种事件,如信号变化、定真可以大幅提高仿真速度,因为只时器触发等,从而准确模拟电路的需模拟真正发生的事件,而不需计行为算每个时间点灵活性强事件驱动仿真可以方便地将仿真集成到设计流程中,与硬件描述语言VHDL和Verilog高度兼容时间驱动仿真定义特点应用时间驱动仿真是VHDL仿真的时间驱动仿真可以精确模拟电时间驱动仿真常用于对时序电一种方式,其中模拟器根据仿真路行为,适用于需要准确计时的路、高速电路等的建模和分析,时间的流逝来调度事件的执行,复杂电路设计但需要更多的确保电路能够在指定的时间内而不是依赖于事件的触发仿真时间和计算资源正确工作仿真工具VHDL行为仿真工具综合仿真工具12VHDL行为级仿真工具如综合仿真工具如Xilinx VivadoModelSim、Questa和和Intel QuartusPrime,集成GHDL,可模拟设计的逻辑行为了综合和布局布线等功能和时序硬件描述验证性能分析工具34VHDL还能与JTAG仿真器一起专业的VHDL仿真工具还提供使用,对硬件电路进行实际的描功耗分析、时序分析等丰富的述验证分析功能基于的设计流程VHDL FPGA需求分析1根据项目需求,确定FPGA设计的目标和功能体系结构设计2将功能划分为多个模块,并设计它们之间的接口代码编写VHDL3使用VHDL语言描述每个模块的行为和逻辑综合与仿真4将VHDL代码综合为FPGA的硬件电路,并进行仿真验证编程FPGA5将综合结果下载到FPGA开发板进行实际测试整合和调试6将各个模块集成在一起,并对整个系统进行调试总结与展望的未来发展应用领域拓展设计流程优化VHDL VHDLVHDL随着电子技术的不断进步，VHDL将会在更VHDL不仅可用于FPGA和ASIC设计,未来随着EDA工具的不断进步,VHDL的设计流多领域得到应用未来可能会有新的语法和还将在物联网、人工智能等新兴领域有广泛程将变得更加智能化和自动化,提高设计效功能扩展，提高VHDL的表达能力和性能应用,为电子系统设计提供更强大的支持率和可靠性,满足复杂电子系统的开发需求。