《VHDL入门教程》课件

入门教程VHDL什么是？VHDL定义作用（用于描述数字电路的结构和行为，并生成电路的硬件VHDL VeryHigh SpeedIntegrated CircuitHardware VHDL）是一种硬件描述语言，用于描述和描述文件，用于编程和控制可编程逻辑器件（如和Description LanguageFPGA设计电子电路）的实现CPLD的发展历史VHDL1980年代早期1最初由美国国防部开发，用于描述和模拟军用电子系统VHDL1987年2成为标准，为电子电路设计提供了统一的标准VHDL IEEE1990年代3开始广泛应用于工业界，并成为和设计的主要语VHDL FPGACPLD言21世纪4不断发展，加入了新的功能和特性，以满足更复杂和大型的VHDL设计需求的特点及应用领域VHDL特点应用领域•可读性强VHDL代码接近自然语言，易于理解和维护•FPGA和CPLD的设计•ASIC的设计•可重用性高VHDL代码可以被重复利用，降低设计成本•数字信号处理和时间•通信系统•可移植性好VHDL代码可以在不同的硬件平台上运行，•嵌入式系统提高了设计灵活性•支持大型设计VHDL支持对大型数字电路的设计和模拟的基本概念VHDL实体体系结构Entity Architecture实体定义电路的外部接口，包体系结构描述电路内部实现，括输入输出信号包括逻辑功能和时序关系信号过程Signal Process信号用于传递数据，可以是输过程用于描述电路的行为，包入信号、输出信号或内部信括逻辑运算和时序逻辑号的语法结构VHDL实体定义1体系结构2过程3语句4运算符5实体的定义Entityentity adderisport a,b:in std_logic;sum:out std_logic;end entityadder;体系结构的编Architecture写architecture behavioralof adderisbeginsum=a xorb;end architecture behavioral;信号的使用Signalsignal temp:std_logic;temp=a and b;sum=temp xorc;数据类型及运算符数据类型运算符•std_logic•算术运算符+，-，*，/•integer•逻辑运算符and，or，xor，not•real•比较运算符=，/=，，，=，=•bit•boolean常量的使用Constantconstant DELAY:time:=10ns;process clkbeginifrising_edgeclk thentemp=a afterDELAY;end if;end process;变量的定义Variablevariable count:integer:=0;process clkbeginifrising_edgeclk thencount:=count+1;end if;end process;算术运算和逻辑运算signal result:integer;result=a+b*c;signal output:std_logic;output=not aandb;条件语句If-then-elseif ab thenresult=a;elseresult=b;end if;循环语句、For Whilefori in0to7looptemp=temp anddatai;end loop;while count10loopcount:=count+1;end loop;过程和函数ProcedureFunctionprocedure adda,b:in integer;sum:out integerisbeginsum=a+b;end procedureadd;function maxa,b:in integerreturn integerisbeginif ab thenreturna;elsereturn b;end if;end functionmax;时序逻辑建模process clkbeginifrising_edgeclk thenifreset=1thencount=0;elsecount=count+1;end if;end if;end process;组件的使用Componentcomponent adderporta,b:in std_logic;sum:out std_logic;end component;signal temp:std_logic;u1:adder portmap a=a,b=b,sum=temp;包的应用Packagepackage my_package istypemy_type isarray0to7of std_logic;function my_func a,b:in integerreturninteger;end packagemy_package;package body my_package isfunctionmy_func a,b:in integerreturninteger isbeginreturna+b;end functionmy_func;end packagebodymy_package;仿真和调试仿真调试使用仿真工具模拟电路的行通过观察信号波形和变量为，验证设计是否符合预值，查找和修复设计中的错期误分层设计顶层模块1子模块2组件3综合和映射综合映射将代码转换成电路网表，用于生成硬件实现将电路网表映射到具体的或芯片，完成硬件实VHDL FPGACPLD现的基本原理FPGA可编程逻辑可编程连接包含可编程逻辑块，可以实的逻辑块之间可以根据需要FPGA FPGA现各种逻辑功能进行连接，实现复杂的电路可编程存储器包含可编程存储器，用于存FPGA储程序和数据的编程方法FPGA--在FPGA开发工具中编写VHDL代码--使用编译器将VHDL代码转换成电路网表--将电路网表下载到FPGA芯片中--FPGA根据下载的程序执行相应的逻辑功能代码的电路实现VHDL逻辑门触发器代码中的逻辑运算符可以转换成相应的逻辑门电路代码中的时序逻辑可以转换成相应的触发器电路VHDL VHDL简单组合逻辑电路设计entity inverterisport in_data:in std_logic;out_data:out std_logic;end entityinverter;architecture behavioralof inverterisbeginout_data=not in_data;end architecturebehavioral;时序逻辑电路设计entity counterisport clk:in std_logic;reset:in std_logic;count:out std_logic_vector3downto0;end entitycounter;architecturebehavioralof counterisbeginprocess clk,resetbeginif reset=1thencount=0000;elsif rising_edgeclk thencount=count+1;end if;end process;end architecturebehavioral;状态机的建模type state_type isS0,S1,S2;signal current_state:state_type:=S0;process clk,resetbeginif reset=1thencurrent_state=S0;elsif rising_edgeclk thencasecurrent_state iswhen S0=if input=1thencurrent_state=S1;end if;when S1=current_state=S2;whenS2=current_state=S0;when others=current_state=S0;end case;end if;end process;代码优化技巧12减少冗余代码使用合适的运算符34合理使用变量优化循环结构测试用例的设计--设计测试用例，覆盖各种输入组合和时序关系--使用仿真工具验证电路的行为是否符合预期--测试用例应该尽可能全面，确保电路在各种情况下都能正常工作错误分析和问题定位--通过观察仿真波形和变量值，分析错误原因--利用调试工具定位错误代码行，并进行修复--仔细检查代码，确保逻辑正确，语法无误的建模风格VHDL行为级建模结构级建模描述电路的行为，不关注具描述电路的硬件结构，包括体的硬件实现细节逻辑门和触发器数据流建模描述数据在电路中的流动，强调信号之间的关系的编码规范VHDL--采用统一的命名规范--使用清晰易懂的注释--保持代码风格一致--遵循VHDL语言的语法规则--使用缩进和空格提高代码可读性的设计模式VHDL--使用状态机模式实现复杂逻辑--使用流水线模式提高电路性能--使用模块化设计模式提高代码可重用性--使用层次化设计模式提高代码可读性和可维护性的仿真技巧VHDL--使用断点和观察窗口调试代码--使用覆盖率分析工具评估测试用例的覆盖范围--使用波形分析工具观察信号和变量的变化趋势--使用仿真工具的内置功能提高仿真效率的综合技巧VHDL--了解综合工具的行为--选择合适的综合选项--使用代码优化技巧提高综合效率--避免使用不支持综合的语句--确保代码符合综合工具的要求的调试方法VHDL--使用逻辑分析仪观察芯片内部信号--使用仿真工具模拟电路行为，并进行调试--使用调试工具查看代码执行流程和变量值--使用打印语句输出调试信息--分析错误信息，定位问题根源开发流程FPGA设计输入1编写VHDL代码或使用图形化设计工具创建电路设计综合2将VHDL代码转换成电路网表映射3将电路网表映射到具体的FPGA芯片布局布线4将电路网表中的逻辑单元和连接线分配到FPGA芯片上的具体位置生成配置数据5生成FPGA芯片的配置数据文件，用于下载到芯片中下载配置数据6将配置数据下载到FPGA芯片中，完成硬件实现验证7使用仿真或硬件测试验证电路的功能是否符合预期的编程软件FPGAXilinx VivadoAltera QuartusIILattice Diamond的硬件平台FPGA板板Xilinx FPGAAltera FPGA的应用案例FPGA的学习资源VHDL参考手册•VHDL教程网站•VHDL论坛•VHDL•FPGA开发文档的发展趋势VHDL--VHDL将继续发展，支持更复杂的设计需求--新的VHDL语言特性将不断出现--VHDL将与其他硬件描述语言和软件开发工具进行整合--VHDL将在更多的应用领域得到应用。