EDA技术实用教程-第3章_VHDL设计初步.ppt

EDA技术实用教程,第3章 VHDL设计初步,教学内容:,3.1 组合电路的VHDL描述 3.2 基本时序电路的VHDL描述 3.3 计数器的VHDL设计 3.4 实用计数器的VHDL设计,教学要求：,通过对VHDL电路示例分析学习，了解用VHDL表达和设计电路的方法，理解VHDL语言现象和语句规则的特点。,VHDL的优点,*易于设计复杂的、多层次的设计。支持设计库和设计的重复使用 *与硬件独立，一个设计可用于不同的硬件结构，而且设计时不必了解过多的硬件细节。 *有丰富的软件支持VHDL的综合和仿真，从而能在设计阶段就能发现设计中的Bug，缩短设计时间，降低成本。 *更方便地向ASIC过渡 *VHDL有良好的可读性，容易理解。,VHDL与计算机语言的区别,*运行的基础 计算机语言是在CPURAM构建的平台上运行 VHDL设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路 *执行方式 计算机语言基本上以串行的方式执行 VHDL在总体上是以并行方式工作 *验证方式 计算机语言主要关注于变量值的变化 VHDL要实现严格的时序逻辑关系,3.1 组合电路的VHDL描述,3.1.1 2选1多路选择器及其VHDL描述1,通道选择控制信号端,数据通道输入端口,数据输出端,ENTITY mux21a IS PORT ( a, b : IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a; ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y = a WHEN s = 0 ELSE b ; END ARCHITECTURE one ;,【例3-1】 2选1多路选择器,s = 0 y = a s = 1 y =b,3.1.1 2选1多路选择器及其VHDL描述1,2选1多路选择器,s = 0 y = a s = 1 y =b,(1) 以关键词ENTITY引导，END ENTITY 结尾的语句部分，称为实体。,mux21a实体,2选1多路选择器的VHDL描述,功能:描述设计模块的输入/输出信号或引脚，并给出设计模块与外界的接口。 实体类似一个“黑盒”，实体描述了“黑盒”的输入输出口。 port: *在层次化设计时，Port为模块之间的接口 *在芯片级，则代表具体芯片的管脚,(2) 以关键词ARCHITECTURE引导，END ARCHITECTURE 结尾的语句部分，称为结构体。,图3-2 mux21a结构体,功能:通过若干顺序语句和并行语句来描述设计实体的逻辑功能(行为描述)或内部电路结构(结构描述)，从而建立设计实体输出与输入之间的关系。 一个设计实体可以有多个结构体 结构体有三种描述方式 *行为描述(behavioral): 高层次的功能描述，不必考虑在电路中到底是怎样实现的。 *数据流描述(dataflow): 描述输入信号经过怎样的变换得到输出信号 *结构化描述(structural): 类似于电路的网络表，将各个器件通过语言的形式进行连接，与电路有一对应的关系,一般用于大规模电路的层次化设计时。,设计实体：,一个完整的、可综合的VHDL程序设计构建,VHDL程序设计基本结构：,结构体三种描述方式的比较,1. 实体表达 描述电路器件端口构成、端口类型（信号流动方向和方式）和信号属性,【例】 ENTITY e_name IS PORT ( p_name : port_m data_type; . p_namei : port_mi data_type ); END ENTITY e_name;,VHDL相关语法说明,语法格式 entity 实体名 is port（）端口说明； end entity 实体名 ；,注意：关键词,2. 实体名,3.端口语句PORT和端口信号名,实体名实际上是器件名，最好根据相应的电路功能确定；实体名必须与文件名相同，否则无法编译；实体名不能用工具库中定义好的元件名；实体名不能用中文，也不能用数字开头。,端口语句(port)说明:以port为引导，并在语句结尾处加分号“；” port (端口信号名：端口模式 数据类型名 :=初始值；)；,4. 端口模式,“IN”、“OUT”、“INOUT”、“BUFFER”,输入（In）：从外部输入至实体；单向端口； 输出（Out）：从实体输出至外部；单向端口； 双向（Inout）：可以从外部输入至实体；也可以从实体输出至外部；双向端口；可代替所有其他模式，但降低了程序的可读性，一般用于与CPU的数据总线接口； 缓冲（Buffer）：可以从实体输出至外部；也可以从端口回读该输出值至实体；不可以从外部输入至实体；单向端口（伪双向端口）；允许该管脚名作为一些逻辑的输入信号。,VHDL语言中数据对象(信号、变量、常数)被赋予的类型规定取值范围和数值类型，即对传输或存储数据的类型作明确的界定。 如Integer（整型）、Bit（位型）等； *VHDL - 强类型语言 *预定义类型 vs. 自定义类型：-数据类型的分类 已在VHDL标准中预先定义，可直接使用 ，如Integer, Real, Bit等； 按照类型说明的格式自定义用户所需的类型；,5. 数据类型,BIT：位数据类型 规定的取值范围是逻辑位1和0； 可参与逻辑运算或算术运算； BIT数据类型的定义在VHDL标准程序包STANDARD中,6. 结构体表达,【例】 ARCHITECTURE arch_name OF e_name IS (说明语句)说明和定义数据对象、数据类型、元件调用说明等 BEGIN (功能描述语句)电路功能描述语句,可以是并行语句、顺序语句或是他们的混合语句 END ARCHITECTURE arch_name ；,一个设计实体的功能与（/或）结构描述； 一个设计实体可以有多个结构体； 语法格式 architecture 结构体名 of 设计实体名 is 说明区； begin 执行语句区； end architecture 结构体名 ；,顺序语句： 由进程语句引导的，以顺序方式执行的语句,其执行结果与书写先后顺序有关.如赋值语句;分支控制语句;循环控制语句;同步控制语句,并行语句： 在结构体中以并行方式执行的语句。其结果与书写先后顺序无关.并行语句有五种语句结构：块语句、进程语句、信号赋值语句、子程序调用语句和元件例化语句。,VHDL的基本语句 顺序语句 并行语句,-eqcomp4 is a four bit equality comparator Library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; entity eqcomp4 is port(a, b:in std_logic_vector(3 downto 0); equal :out std_logic); end entity eqcomp4; architecture dataflow of eqcomp4 is begin equal = 1 when a=b else 0; End architecture dataflow;,VHDL 大小写不敏感,eqcomp4.vhd,包,实体,结构体,文件名和实体名一致,每行；结尾,关键字begin,关键字end后跟实体名,关键字end后跟构造体名,库,7. 赋值符号和数据比较符号,8. WHEN_ELSE条件信号赋值语句 并行语句 并行逻辑操作符：,赋值符号: “= ”用于信号数据的传输，仿真传输延时最短为一个。 要求两边的 信号的 数据类型必须一致 数据比较符号 : “=” 在条件语句表式中用于比较待测数据的关系。 没有赋值的含义，只是一种数据比较符号。 输出结果的数据类型是布尔（BOOLEAD）,赋值目标 = 表达式 WHEN 赋值条件 ELSE 表达式 WHEN 赋值条件 ELSE . 表达式 ；,例： z = a WHEN p1 = 1 ELSE b WHEN p2 = 1 ELSE c ;,VHDL语言中预定义的有特殊含义的英文词语。 用户不能用关键词命名自用对象或用作标识符。,9关键字,10标识符,11规范的程序书写格式,用户在编程中自定义的，用于表示不同名称的词语,12文件取名和存盘,文件取名： 建议文件名与VHDL设计的实体名一致，后缀是.vhd。,文件存盘： VHDL设计文件必须存于指定为工程的目录中，此目录将被设定为WORK库，WORK库的路径即为此目录的路径。,文件名后缀为.vhd 文件名英文字母不分大小,【例4-2】 2选1多路选择器 ENTITY mux21a IS PORT ( a, b : IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a; ARCHITECTURE one OF mux21a IS SIGNAL d,e : BIT; BEGIN d = a AND (NOT s) ; e = b AND s ; y = d OR e ; END ARCHITECTURE one ;,VHDL数据对象（Data Objects）,s = 0 y = a s = 1 y =b,d,e,并行语句,3.1.2 2选1多路选择器及其VHDL描述2,布尔表达式,1. 逻辑操作符,在AND(与)、OR(或)和NOT(取反)等的作用下可构成组合电路。,AND、OR、NOT NAND、NOR、XOR、XNOR 操作对象的数据类型为：BIT、BOOLEAD、STD_LOGIC,BIT数据类型定义： 种取值 TYPE BIT IS (0,1); STD_LOGIC数据类型定义： 种取值 TYPE STD_LOGIC IS (U-未初始化的 X-强未知的 0-强0 1-强1 Z-高阻态 W-弱未知的 L-弱0 H-弱1 -忽略） 可实现：X - 0 1 Z,2. 标准逻辑位数据类型STD_LOGIC,库（LIBRARY）存放预先设计好的程序包和数据的集合体。常用的库有IEEE、STD、WORK、用户库等。这些设计单元可用作其他VHDL描述的资源。用户编写的设计单元既可以访问多个设计库,又可以加入到设计库中,被其他单元所访问。 程序包（PACKAGE）将已定义的数据类型、元件调用说明及子程序收集在一起,供VHDL设计实体共享和调用,若干个包则形成库。程序包由两个独立的单元组成：程序包声明单元和程序包体单元构成。,3. 设计库和标准程序包,IEEE库包括：STD_LOGIC_1164 STD_LOGIC_ARITH是SYNOPSYS公司加入IEEE库程序包，包括： STD_LOGIC_SIGNED（有符号数） STD_LOGIC_UNSIGNED（无符号数） STD_LOGIC_SMALL_INT(小整型数) VHDL 87版本使用IEEE STD 1076-1987 语法标准 VHDL 93版本使用IEEE STD 1076-1993 语法标准 描述器件的输入、输出端口数据类型中将要用到的IEEE的标准库中的STD_LOGIC_1164程序包。,使用库和程序包的一般定义表式是： LIBRARY ; USE ALL ;,信号是在结构体（ARCHITECTURE）、程序包（PACKAGE）和实体（ENTITY）中说明的全局量。,信号定义格式： SIGNAL 信号名：数据类型：=初值； 例如：SIGNAL Q1：STD LOGIC：=0；,信号赋值语句： 目标信号名=表达式 例如：x=9； z=x AFTER 5ns；,4. SIGNAL信号定义和数据对象,数据对象：,数据对象定义： 类似于容器，可接受不同数据类型的赋值 数据对象类型： 信号、变量、常数,【例3-3】 2选1多路选择器 ENTITY mux21a IS PORT ( a, b, s: IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a; ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN PROCESS (a,b,s) BEGIN IF s = 0 THEN y = a ; ELSE y = b ; END IF; END PROCESS; END ARCHITECTURE one ;,3.1.3 2选1多路选择器及其VHDL描述3,进程语句,敏感信号,s = 0 y = a s = 1 y =b,IF THEN ELSE 顺序语句,1. 条件语句,2. 进程语句和顺序语句,IF语句必须以语句“END IF；”结束,IF_THEN_ELSE 顺序,进程语句以PROCESS（敏感信号表）.END PROCESS引导的语句结构 敏感信号表中敏感信号的变化将激活所在进程； 在一个结构体中可以包含任意个进程语句结构,所有进程语句是并行语句； 由PROCESS引导的语句是顺序语句 顺序语句以顺序方式执行的语句,其执行结果与书写先后顺序有关.,进程语句： 主要用于设计实体的算法和功能描述，即行为描述；,语法格式 进程标号: process( 敏感信号表 ) 进程说明区 begin 进程程序区 end process; 进程说明区：只能定义类型、变量、子程序，不能定义信号； 进程程序区：只能包含顺序语句； 可包含信号和变量两种数据对象： 变量为进程内部对象，不可跨越进程； 信号为实体全局对象，用于与其它实体内模块建立联系； 敏感信号表 可以激活该进程的信号列表 敏感信号表中信号的变化将激活所在进程； 敏感信号表中只能包含信号，不能包含变量；,在VHDL中所有合法的顺序描述的语句必须放在进程语句中,3.1.4 半加器及其VHDL的描述,so =a XNOR (NOT b) co=a AND,异或非（同或）,半加器h_adder逻辑功能真值表,LIBRARY IEEE; -半加器描述(1):布尔方程描述方法 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY h_adder IS PORT (a, b : IN STD_LOGIC; co, so : OUT STD_LOGIC); END ENTITY h_adder; ARCHITECTURE fh1 OF h_adder is BEGIN so = NOT(a XOR (NOT b) ; co = a AND b ; END ARCHITECTURE fh1;,so =a XNOR (NOT b) co=a AND,【例3-4】半加器,LIBRARY IEEE; -半加器描述(2)：真值表描述方法 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY h_adder IS PORT (a, b : IN STD_LOGIC; co, so : OUT STD_LOGIC); END ENTITY h_adder; ARCHITECTURE fh1 OF h_adder IS SIGNAL abc : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; -定义标准逻辑位矢量数据类型 BEGIN abc so so so so NULL ; END CASE; END PROCESS; END ARCHITECTURE fh1 ;,【例3-5】半加器,格式: CASE IS When = ; . ; ； When = ; . ; ； . END CASE ；,CASE语句属于顺序语句,须放在进程语句中使用. CASE语句根据满足的条件直接选择多项顺序语句中的一项执行，它常用来描述总线行为、编码器、译码器等的结构。可读性比if 语句强。,1. CASE语句,WHEN条件选择值可以有四种表达方式；,（1）单个普通数值，形如 WHEN 选择值 = 顺序语句； （2）并列数值，形如 WHEN 值/值/值 = 顺序语句； （3）数值选择范围，形如 WHEN 值TO值 = 顺序语句； （4）WHEN OTHERS = 顺序语句；,使用CASE语句需注意以下几点： ( 1) CASE语句中每一条语句的选择值只能出现一次,即不能有相同选择值的条件语句出现 (2) CASE语句执行中必须选中,且只能选中所列条件语句中的一条,即CASE语句至少包含一个条件语句。 (3) 除非所有条件语句中的选择值能完全覆盖CASE语句中表达式的取值,否则最末一个条件语句中的选择必须用“OTHERS”表示，它代表已给出的所有条件语句中未能列出的其他可能的取值。否则在综合过程中会插入不必要的锁存器。关键词OTHERS只能出现一次,且只能作为最后一种条件取值。,当执行到CASE语句时,首先计算CASE和IS之间的表达式的值,然后根据条件语句中与之相同的选择值,执行对应的顺序语句,最后结束CASE语句。,在使用STD_LOGIC_VECTOR中，必须注明其数组宽度，即位宽 如： B : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) ； 或 SIGNAL A ：STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 4),B = “01100010“ ; - B(7)为 0 B(4 DOWNTO 1) = “1101“ ; - B(4)为 1 B(7 DOWNTO 4) = A ; - B(6)等于 A(2),2. 标准逻辑矢量数据类型STD_LOGIC_VECTOR,并置操作示例： SIGNAL a : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ; SIGNAL d : STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0) ; . a = 10d(1)1 ; - 元素与元素并置，并置后的数组长度为4 . IF a d = “101011“ THEN .- 在IF条件句中可以使用并置符,并置操作是将操作数或数组合并起来形成新的数组。,并置后的数组长度为6,3. 并置操作符 ,3.1.5 一位二进制全加器及其VHDL描述,1位全加器逻辑功能真值表,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY or2a IS PORT (a, b : IN STD_LOGIC; c : OUT STD_LOGIC ); END ENTITY or2a； ARCHITECTURE one OF or2a IS BEGIN c = a OR b ; END ARCHITECTURE one;,【例3-6】或门逻辑描述,【例3-7】 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY f_adder IS PORT (ain，bin，cin : IN STD_LOGIC; cout，sum : OUT STD_LOGIC ); END ENTITY f_adder;,1位二进制全加器顶层设计描述,ARCHITECTURE fd1 OF f_adder IS COMPONENT h_adder -调用半加器声明语句-例化语句 PORT ( a，b : IN STD_LOGIC; co，so : OUT STD_LOGIC); END COMPONENT ； COMPONENT or2a -调用或门声明语句-例化语句 PORT (a，b : IN STD_LOGIC; c : OUT STD_LOGIC); END COMPONENT； SIGNAL d，e，f : STD_LOGIC; -定义3个信号作为内部的连接线。 BEGIN u1 : h_adder PORT MAP(a=ain，b=bin，co=d，so=e); -映射语句-例化语句 u2 : h_adder PORT MAP(a=e， b=cin， co=f，so=sum); u3 : or2a PORT MAP(a=d， b=f， c=cout); END ARCHITECTURE fd1;,层次化设计:,对于一个复杂的电子系统，可以将其分解为若干个子系统，每个子系统再分解成模块，形成多层次设计。这样，可以使更多的设计者同时进行合作。 在多层次设计中，每个层次都可以作为一个元件，再构成一个模块或系统，可以先分别仿真每个元件，然后再整体调试。,元件例化是引入一种连接关系， 是将预先设计好的设计实体定义为一个元件，然后利用映射语句将此元件与当前设计实体中的指定端口相连，从而为当前设计实体引入了一个低一级的设计层次。 *在结构体中，描述只表示元件（或模块）和元件（或模块）之间的互连，就象网表一样。 *元件例化语句也是一种并行语句，各个例化语句的执行顺序与例化语句的书写顺序无关，而是按照驱动的事件并行执行的。 *元件例化可以是多层次的 *当引用库中不存在的元件时，必须首先进行元件的创建，然后将其放在工作库中，通过调用工作库来引用元件。在引用元件时，要先在结构体中说明部分进行元件的说明，然后在使用元件时进行元件例化。,3.1.6 例化语句,COMPONENT 元件名 IS PORT (端口名表) ； END COMPONENT 元件名 ；,元件例化语句由两部分组成 第一部分：元件定义语句（或元件说明语句）是对一个现成的设计实体定义为一个元件，语句的功能是对待调用的元件作出调用声明，它的最简表达式如下所示：,即对设计实体进行封装,使其只留出对外的接口界面,其中端口名表须列出该元件对外通信的各端口名,命名方式与实体中的 PORT()语句相同，元件定义语句必须放在结构体的ARCHITECTURE与BIGIN之间-即在结构体的说明区。,元件例化语句组成：,第二部分：映射语句，是此元件与当前设计实体(顶层文件)中元件间及端口的连接说明。完成电路板上的元件“插座”的定义，“例化名”（标号名）相当于“插座名”是不可缺少的； 语句的表达式如下： 例化名 : 元件名 PORT MAP( 端口名 = 连接端口名,.);,PORT MAP:端口映射/端口连接 端口名:是在元件例化语句中端口名表中已定义好的元件端口名字 连接端口名:是在顶层系统中,准备与接入的元件的端口相连的通信线名 或顶层系统的端口名 “=” : 连接符号 （ 端口名 = 连接端口名,.）部分完成“元件”引脚与“插座”引脚的连接 “关联” 关联方法： 位置影射法上层元件端口说明语句中的信号名与PORT MAP（）中 的信号名书写顺序和位置一一对应。 例如，u1：and1（a1，b1，y1）； 名称映射法用“=”号将上层元件端口说明语句中的信号名与 PORT MAP（）中的信号名关联起来。 例如，u1：and1（a=a1，b=b1，y=y1）；,【例3-8】 D触发器,图3-6 D触发器,3.2 寄存器描述及其VHDL语言现象 3.2.1 D触发器的VHDL描述,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DFF1 IS PORT (CLK : IN STD_LOGIC ; D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC ); END ; ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC ; -类似于在芯片内部定义一个数据的暂存节点 BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = D ; END IF; Q = Q1 ; -将内部的暂存数据向端口输出 END PROCESS ; END ARCHITECTURE bhv;,双横线-是注释符号,1. 上升沿检测表达式和信号属性函数EVENT,关键词EVENT是预定义信号属性，表示对当前的一个极小的时间段内发生事件的情况进行检测（如时钟的边沿）。 VHDL通过以下表式来测定某信号的跳变边沿： EVENT,例如： clockEVENT -检测以clock为属性测试项目的事件 clockEVENT AND clock=1; -检测clock的上升沿 clockEVENT AND clock=0; -检测clock的下降沿,LAST_EVENT从信号最近一次的发生至今所经历的时间，常用于检查定时时间、建立时间、保持时间和脉冲宽度等。,D触发器VHDL描述的语言现象说明,【例3-9】-比较器 ENTITY COMP_BAD IS PORT( a1 : IN BIT; b1 : IN BIT; q1 : OUT BIT); END ; ARCHITECTURE one OF COMP_BAD IS BEGIN PROCESS (a1,b1) BEGIN IF a1 b1 THEN q1 = 1 ; ELSIF a1 b1 THEN q1 = 0 ; - 未提及当a1=b1时，q1作何操作 END IF; END PROCESS ; END ;,图3-7 例3-9的电路图,在设计组合逻辑电路时，如没有列出所有条件及其对应的处理方法，将导致不完整的条件语句，从而产生组合和时序电路 的混合体，浪费逻辑资源，降低电路工作速度，影响了电路的可靠性。,a1 b1 ：q1= 1 a1 b1：q1= 0 a1 = b1：q1= ？,2. 不完整条件语句与时序电路,寄存器,【例3-10】-改进的比较器 ENTITY COMP_GOOD IS PORT(a1 : IN BIT; b1 : IN BIT; q1 : OUT BIT ); END ; ARCHITECTURE one OF COMP_GOOD IS BEGIN PROCESS (a1,b1) BEGIN IF a1 b1 THEN q1 = 1 ; ELSE q1 = 0 ; END IF; END PROCESS ; END ;,a1 b1 ：q1= 1 a1 b1：q1= 0,【例3-11】 D触发器 . PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND (CLK=1) AND (CLKLAST_VALUE=0) THEN Q = D ; -确保CLK的变化是一次上升沿的跳变 END IF; END PROCESS ;,3.2.2 VHDL实现时序电路的不同表述,CLK LAST_VALUE: 预定义信号属性，表示最近一次事件（EVENT）发生前的值 CLKLAST_VALUE 0为true表示在时刻前为0 CLKLAST_VALUE 1为true表示在时刻前为1,【例3-12】 D触发器 . PROCESS (CLK) BEGIN IF CLK=1 AND CLKLAST_VALUE=0 -同例4-11 THEN Q = D ; -确保CLK的变化是从0跳变到1 END IF; END PROCESS ; . . .,【例3-13】 D触发器 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DFF3 IS PORT (CLK : IN STD_LOGIC ; D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC ); END ; ARCHITECTURE bhv OF DFF3 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC; BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF rising_edge(CLK) - 必须打开STD_LOGIC_1164程序包 THEN Q1 = D ; END IF; Q = Q1 ; END PROCESS ; END ;,rising_edge()是VHDL在IEEE库中标准程序包STD_LOGIC_1164内预定义函数。,【例3-14】 D触发器 . PROCESS BEGIN wait until CLK = 1; -利用wait语句 Q = D ; END PROCESS; . . .,wait until：等待保持至,【例3-15】 D触发器 . PROCESS (CLK) BEGIN IF CLK = 1 THEN Q = D ; -利用进程的启动特性产生对CLK的边沿检测 END IF; END PROCESS ;,图3-9 边沿型触发器时序波形,【例3-16】 D触发器 . PROCESS (CLK，D) BEGIN IF CLK = 1 -电平触发型寄存器 THEN Q = D ; END IF; END PROCESS ;,图3-10 电平触发型寄存器的时序波形,Entity test1 is port (clk, d : in bit; q : out bit); end test1; architecture body of test1 is signal q1 : bit ; begin process (clk) begin if clk=1 AND clklast_value=0 then q1 = d; end if; q = q1 ; end process; end test1_body;,LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.all; Entity test1 is port (clk, d : in bit; q : out bit); end test1; architecture body of test1 is begin process (clk) begin if rising_edge(clk) then q = d; end if; end process; end test1_body;,Entity test1 is port (clk : in bit; d : in bit; q : out bit); end test1; architecture body of test1 is signal q1 : bit ; begin process (clk，d) begin if (clk = 1) then q1 = d; end if; q = q1 ; end process; end body;,Entity test1 is port (clk : in bit; d : in bit; q : out bit); end test1; architecture body of test1 is signal q1 : bit ; begin process (clk) begin if (clk = 1) then q1 = d; end if; q = q1 ; end process; end body;,比较不同语句的D触发器VHDL程序,小结：,*时序逻辑电路只能利用进程中的顺序语句建立； *常用和通用的边沿检测表达式： clockEVENT AND clock=1; -检测clock的上升沿 clockEVENT AND clock=0; -检测clock的下降沿,3.2.3 异步时序电路设计,异步时序电路的实现: 一个时钟进程只能构成对应单一时钟信号的时序电路,异步时序电路最好用多个时钟进程构成.,时钟进程:构成时序电路的进程,【例3-17】用两个时钟进程描述的异步时序电路 . ARCHITECTURE bhv OF MULTI_DFF IS SIGNAL Q1,Q2 : STD_LOGIC; BEGIN PRO1: PROCESS (CLK) - -时钟进程 BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q1 = NOT (Q2 OR A); END IF; END PROCESS ; PRO2: PROCESS (Q1) - -时钟进程 BEGIN IF Q1EVENT AND Q1=1 THEN Q2 = D; END IF; QQ = Q2 ; END PROCESS ; END ARCHITECTURE bhv,Q1,Q2,【例3-18】 4位加法计数器 ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN BIT ; Q : BUFFER INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0 ) ; END ; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q = Q + 1 ; END IF; END PROCESS ; END bhv;,3.3 计数器的VHDL设计 3.3.1 4位二进制加法计数器设计,加、减算术操作符对应的操作数的数据类型为整数类型,语言现象:,*端口模式: Buffer 缓冲 *数据类型: INTEGER整数类型 *计数器累加表达式: Q = Q + 1 *加、减算术操作符: 对应的操作数的数据类型为整数类型 *数据对象更新时间: Q = Q + 1 下一时钟周期,3.3.2 整数类型,整数类型INTEGER：正整数、负整数和零 表示范围：2147483647 2147483647（可用32位有符号的二进制 数表示，即从(2311)到+(2311 ）,已定义在VHDL标准程序包 STANDARD。可以使用预定义运算操作符，如: 加“”、减“”、 乘“”、除“”进行算术运算。） 自然数类型NATURUL:正整数和零 正整数类型POSITIVE：正整数,*VHDL仿真器将整数类型作为有符号数处理； *VHDL综合器将整数类型作为无符号数处理，要求使用RANGE子句限定整数的范围，并根据限定范围决定信号或变量的二进制的位数,例: Q : BUFFER INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0,整数常量的书写方式示例如下： 1 十进制整数 0 十进制整数 35 十进制整数 10E3 十进制整数:1000 16#D9# 十六进制整数 8#720# 八进制整数 2#11010010# 二进制整数,VHDL规定加、减算术操作符对应的操作数的数据类型为整数类型,以数制基数表示的文字格式：数制#数值# B二进制基数符号； O八进制基数符号； X16进制基数符号,【例3-19】 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ENTITY CNT4 ; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = Q1 + 1 ; END IF; Q = Q1 ; END PROCESS ; END ARCHITECTURE bhv;,3.3.3计数器的其他VHDL表达方式,中间节点,语言现象:,*输出信号Q: 数据类型: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL 端口模式: OUT Q = Q+ 1 Q1 = Q1 +1 (定义内部信号) * 运算符的重载: 通过调用运算符的重载函数实现 Q1 = Q1 + 1 （标准逻辑矢量） （整数类型） USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL,中间节点,4位加法计数器组成： 由两大部分组成：组合电路-加法器(加1器) 时序电路-锁存器(4位、边沿触发型),图3-13 4位加法计数器工作时序,* 数据类型： 整数类型INTEGER、自然数类型NATURUL 、正整数类型POSITIVE,* BUFFER模式： BUFFER表达特定端口的特定功能，并非是特定的端口结构。,*运算符重载： VHDL允许用户对原有的基本操作符重新定义，赋予新的定义和功能，或允许不同的数据类型之间进行运算，从而建立新的操作符. 运算符重载方法之一：调用重载函数 *重载函数： 程序包STD_LOGIC_UNSIGNED含有加号(+)和其他运算符的重载函数。,* 计数器结构： 加法计数由两部分组成：加1组合电路和寄存器时序电路。,归纳：,3.4 实用计数器的VHDL设计 【例3-20】带有异步复位和同步置数、时钟使能的十进制计数器,接下页,接上页,功能：主要用于数据暂存,十进制计数器相关语法 1）变量VARIABLE,变量的一般表述： VARIABLE 变量名 : 数据类型 := 初始值;,特征： *一个局部量，只能在进程中和子程序中使用。 *不能将信息带出对它作定义的当前设计单元。 *一种理想化的数据传输，立即发生，不延时。,变量赋值语句： 目标变量名 := 表达式；,信号赋值语句： 目标信号名 表达式 ；,为了简化表达才使用短语“(OTHERS=X)”，这是一个省略赋值操作符，它可以在较多位的位矢量赋值中作省略化的赋值， 如以下语句： SIGNAL d1 : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); VARIABLE a1: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); . d1 1, 3 =1, OTHERS=0)； a1 := (OTHERS=0) ；,2）省略赋值操作符（OTHERS=X）,2. 程序分析 RTL电路图,工作时序,3. 时序模块中的同步控制信号和异步控制信号的构建,异步信号与同步信号： 异步与同步相对于时钟信号而言，不依赖时钟而有效的信号为异步信号，否则为同步信号。,4. 另一种描述方式,3. 时序模块中的同步控制信号和异步控制信号的构建,4. 另一种描述方式,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT10 IS PORT (CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); COUT : OU