《VHDL描述语句》课件精讲

《描述语句》课件精讲VHDL简介VHDL定义优势VHDL是一种硬件描述语言，用于描述数字电路的行为和结构它VHDL提供了强大的描述能力、可读性好、可移植性强、易于维护，是一种强类型语言，支持模块化设计，可用于设计各种数字系统，并支持多种设计方法，包括行为级、结构级和数据流级建模从简单的逻辑门到复杂的处理器基本概念VHDL实体体系结构实体是VHDL设计的顶层模块，体系结构描述了实体的内部实现，定义了模块的接口和功能即如何实现实体的接口和功能信号变量信号是连接实体和体系结构之间变量用于存储数据，它们存储在数据传输的媒介，用来模拟电路程序的本地空间中，主要用于内之间的连接和信号传递部计算和操作实体和体系结构实体声明体系结构描述entity my_entity isarchitecture behaviorof my_entity isportbegininput_signal:in std_logic;output_signal=input_signal;output_signal:out std_logic end architecture behavior;;end entitymy_entity;端口声明端口类型端口名称端口数据类型端口类型可以是输入in、输出out或双端口名称应该有意义，并反映其功能端口数据类型可以是标准类型，如向inout std_logic、integer或boolean，也可以是自定义类型数据类型标准数据类型枚举类型数组类型包括std_logic、integer、boolean、real通过列出所有可能的值来定义，例如用于存储一组相同类型的数据，例如和time等type state_type isidle,active,done;type memory_type isarray0to15ofstd_logic;信号和变量信号变量信号用于模拟电路之间的连接，它们的值可以随着时间的推移而变量存储数据，它们的值可以在程序执行期间被修改，变量赋值变化，信号赋值语句使用=符号语句使用:=符号算术运算运算符示例VHDL支持常见的算术运算符，如+、-、*、/和modsignal sum:integer;beginsum=a+b;end process;逻辑运算运算符示例VHDL支持逻辑运算符，如and、or、xor、not和nand等signal result:std_logic;beginresult=a andb;end process;关系运算运算符示例VHDL支持关系运算符，如=、/=、、、=和=if ab thenresult=1;elseresult=0;end if;赋值语句信号赋值变量赋值使用=符号，信号赋值语句通常用于描述电路行为，赋值发生在使用:=符号，变量赋值语句通常用于内部计算和操作，赋值发生时间点上在语句执行时条件语句语法作用条件语句根据条件表达式的真假值选择执行不同的语句块if conditionthenstatement1;elsif condition2thenstatement2;elsestatement3;end if;循环语句循环类型示例VHDL支持三种循环语句for循环、while循环和loop循环for iin1to10loopresult=result+i;end loop;子程序定义示例子程序是VHDL程序中的独立模块，用于执行特定的任务，可以procedure add_values a,b:in integer;sum:被多次调用out integerisbeginsum=a+b;end procedureadd_values;函数和过程函数过程函数用于返回一个值，类似于数学函数过程用于执行一系列操作，它们没有返回值，类似于子程序波形声明和仿真波形声明仿真使用`waveform`关键字声明波形，用于仿真时观察信号的变化通过仿真工具模拟电路的行为，验证设计的正确性时序行为建模时序建模示例使用时序信号和时钟信号来描述电路的行为，用于模拟电路的时process clk序特性beginif rising_edgeclk thenoutput_signal=input_signal;end if;end process;组件和配置组件声明配置使用`component`关键字声明组件，用于将多个模块组合成更大使用`configuration`关键字配置组件，指定组件的实例化和连接的设计包和库包库包是VHDL中的组织单元，用于存放相关的数据类型、子程序和库用于存放VHDL的标准包和用户自定义的包，方便在设计中引函数等，方便复用用工艺依赖工艺库工艺映射工艺库包含特定工艺的元件描述，例如门的延迟、功耗等信息综合工具使用工艺库将VHDL描述映射到具体的硬件实现综合指令综合指令示例使用`attribute`关键字添加综合指令，用于指导综合工具进行优化attribute syn_keep:boolean;和映射attribute syn_keep ofmy_signal:signal istrue;编程规范VHDL代码风格设计原则使用一致的代码风格，包括缩进、命名规范、注释等，提高代码遵循模块化设计、层次化设计、数据流建模等原则，提高设计的的可读性和可维护性可重用性和可扩展性时序分析和约束时序分析时序约束分析电路的时序特性，例如时钟频率、信号延迟等，确保电路满使用时序约束文件，例如UCF文件，指定电路的时序要求，帮助足性能要求综合工具进行优化设计流程设计输入综合使用VHDL语言描述电路功能和结构将VHDL描述转换为逻辑门级电路仿真实现模拟电路行为，验证设计的正确性将逻辑门级电路映射到具体的硬件实现综合和优化综合优化综合工具将VHDL描述转换为逻辑门级电路，生成网表文件综合工具可以根据时序约束和工艺库进行优化，例如门级优化、布线优化等时序仿真时序仿真仿真工具使用时序模型进行仿真，模拟电路的时序特性，验证电路是否满常用的时序仿真工具包括ModelSim、VCS和QuestaSim等足性能要求测试和验证测试用例验证工具设计测试用例，覆盖电路的所有功能和路径，验证设计的正确性使用验证工具，例如SystemVerilog、UVM和VERA等，进行更全面、更深入的验证仿真工具使用创建工程1添加文件2编译代码3设置仿真环境4运行仿真5综合工具使用创建工程1添加文件2设置约束文件3运行综合4生成网表5设计流程FPGA设计输入1使用VHDL语言描述电路综合2将VHDL描述转换为逻辑门级电路实现3将逻辑门级电路映射到FPGA器件配置4将配置数据加载到FPGA器件验证5测试电路功能和性能设计流程ASIC设计输入1使用VHDL语言描述电路综合2将VHDL描述转换为逻辑门级电路布局布线3将逻辑门级电路布局在芯片上，并进行布线验证4测试电路功能和性能流片5将芯片设计生产出来典型应用简单计数器1:功能VHDL代码计数器可以记录脉冲的次数，在数字系统中广泛应用entity counterisport clk:in std_logic;reset:in std_logic;count:out std_logic_vector3downto0;end entitycounter;architecture behavioralof counterisbeginprocess clk,resetbeginif reset=1thencount=0000;elsif rising_edgeclk thencount=count+1;end if;end process;end architecture behavioral;典型应用2:状态机设计功能VHDL代码状态机用于描述系统在不同状态之间的转换，用于控制系统行为entity state_machine isportclk:in std_logic;reset:in std_logic;output_signal:out std_logic;end entitystate_machine;architecture behavioralof state_machine istypestate_type isidle,active;signal current_state:state_type;beginprocess clk,resetbeginif reset=1thencurrent_state=idle;elsif rising_edgeclk thencasecurrent_state iswhenidle=if conditionthencurrent_state=active;end if;when active=current_state=idle;end case;end if;end process;process current_statebegincase current_state iswhenidle=output_signal=0;when active=output_signal=1;end case;end process;end architecturebehavioral;典型应用移位寄存器3:功能VHDL代码移位寄存器用于存储数据，并根据时钟信号将数据逐位移位entity shift_register isportclk:in std_logic;reset:in std_logic;data_in:in std_logic;data_out:out std_logic_vector7downto0;end entityshift_register;architecturebehavioralof shift_register isbeginprocessclk,resetbeginif reset=1thendata_out=00000000;elsif rising_edgeclk thendata_out=data_indata_out7downto1;end if;end process;endarchitecturebehavioral;典型应用加法器和乘法器4:加法器乘法器加法器用于实现两个数的加法运算乘法器用于实现两个数的乘法运算典型应用存储器设计5:RAM ROM随机存取存储器，可以随机访问存储器中的任何位置只读存储器，数据在制造过程中写入，不可修改典型应用总线接口6:总线接口总线是用于多个设备之间通信的共享路径接口用于连接不同的设备，例如CPU、内存和外设设计案例分析1功能描述模块划分12设计一个数字闹钟，可以显示将闹钟分为时钟模块、闹钟模时间，并设置闹钟时间块和显示模块等3VHDL实现使用VHDL语言描述每个模块的功能，并进行组合和连接设计案例分析2功能描述状态机设计时序约束123设计一个交通信号灯控制系统，用于使用状态机来控制交通信号灯的切换设置时序约束，保证交通信号灯切换控制道路交通的正确性和安全性设计案例分析3功能描述模拟数字转换12设计一个数字温度计，可以测使用ADC模块将模拟温度信号量温度并显示结果转换为数字信号显示模块3设计显示模块，将数字温度值显示在LCD上设计案例分析4功能描述图像传感器12设计一个数字相机，可以拍摄使用图像传感器采集图像信号照片并存储在内存中图像处理3进行图像处理，例如压缩和格式转换设计案例分析5功能描述协议实现12设计一个网络接口卡，用于连实现网络协议，例如TCP/IP、接计算机到网络Ethernet等数据传输3设计数据传输模块，负责数据包的发送和接收设计案例分析6功能描述模块设计12设计一个手机芯片，用于控制将手机芯片划分为不同的模块，手机的各种功能例如处理器模块、内存模块和通信模块等系统集成3将不同的模块组合在一起，形成完整的手机芯片系统常见问题和调试技巧语法错误逻辑错误时序错误123检查代码语法，确保代码符合VHDL使用仿真工具调试代码，通过观察信进行时序分析，检查电路是否满足时语言规范号的变化来查找逻辑错误序要求，并根据需要进行优化课程总结和展望课程总结展望未来本课程介绍了VHDL的基本语法、设计流程、典型应用和调试技VHDL语言不断发展和完善，未来将有更多新特性和应用巧，希望对您学习和使用VHDL语言有所帮助。