VHDL程序设计教程习题解答

1、VHDL程序设计教程习题参考解答第1章思考题解答1 什么是VHDL？简述VHDL的发展史。答： VHDL是美国国防部为电子项目设计承包商提供的，签定合同使用的，电子系统硬件描述语言。1983年成立VHDL语言开发组，1987年推广实施，1993年扩充改版。VHDL是IEEE标准语言，广泛用于数字集成电路逻辑设计。2 简述VHDL设计实体的结构。答：实体由实体名、类型表、端口表、实体说明部分和实体语句部分组成。根据IEEE标准，实体组织的一般格式为：ENTITY 实体名 IS GENERIC(类型表)； -可选项 PORT(端口表)； -必需项 实体说明部分； -可选项 BEGIN 实体语句部分

2、；END ENTITY 实体名；3 分别用结构体的3种描述法设计一个4位计数器。答： 用行为描述方法设计一个4位计数器如下，其它描述方法，读者可自行设计。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY countA IS PORT (clk,clr,en:IN STD_LOGIC; Qa,qb,qc,qd:OUT STD_LOGIC);END countA;ARCHITECTURE example OF countA ISSIGNAL count_4:STD_LOGIC_vector

3、 (3 DOWNTO 0);BEGIN Qa = count_4(0); Qb = count_4(1); Qc = count_4(2); Qd = count_4(3);PROCESS (clk,clr) BEGIN IF (clr = 1 ) THEN Count_4 = 0000; ELSIF (clkEVENT AND clk = 1 ) THEN IF (en = 1 ) THEN IF (count_4 = 1111) THEN count_4 = 0000; ELSE count_4 = count_4+ 1; END IF; END IF; END IF; END PROCE

4、SS;END example;第2章 思考题解答1 什么叫对象？对象有哪几个类型？答：在VHDL语言中，凡是可以赋于一个值的客体叫对象(object)。VHDL对象包含有专门数据类型，主要有4个基本类型：常量(CONSTANT)、信号(SIGNAL)、变量(VARIABLE)和文件(FILES)。2 VHDL语言定义的标准类型有哪些？答 VHDL语言标准所定义的标准数据类型(1) 整数类型(INTEGER TYPE)(2) 实数类型或浮点类型(REAL TYPE FLOATING TYPE)(3) 位类型(BIT TYPE)(4) 位矢量类型(BIT_VECTOR TYPE)(5) 布尔类型(

5、BOOLEAN TYPE)(6) 字符类型(CHARACTER TYPE)(7) 时间类型或物理类型(TIME TYPE PHYSICAL TYPE)(8) 错误类型(NOTE，WARNIING，ERROR，FAILURE TYPE)(9) 自然数、整数类型(NATURAL TYPE)(10) 字符串类型(TRING TYPE)3 简述VHDL语言操作符的优先级。答： 在表2.1中，取反和取绝对值优先级较高，与、或逻辑运算的优先级低于算术运算的优先级。4 哪3种方法可用来进行类型转换？答：进行不同类型的数据变换，有3种方法：类型标记法、函数转换法和常数转换法。第3章思考题解答1 什么叫进程？简

6、述进程的工作方式。答：进程（process）是由外部信号触发执行的一段程序。进程语句是并行处理语句，即各个进程是同时处理的，在结构体中多个Process语句是同时并发运行的。在进程内部是顺序执行的。Process语句在VHDL程序中，是描述硬件并行工作行为的最常用、最基本的语句。进程Process语句中一般带有几个信号量例表，称为该进程的敏感量表。这些信号无论哪一个发生变化都将启动Process进程。一旦启动，进程Process中的程序将从上到下顺序执行一遍，由新变化的量引导进程产生变化结果输出。当进程的最后一个语句执行完成后，就返回到进程开始处，等待敏感量的新变化，引发进程的再一次执行。周而

7、复始，循环往复，以至无穷。这就是进程的执行过程。2 什么叫模块？区分模块与进程。答：模块(Block)语句是结构体中积木化设计语言，适用于复杂项目设计。Block块是一个独立的子结构，可以包含PORT语句、GENERIC语句，允许设计者通过这两个语句将Block块内的信号变化传递给Block块的外部信号。同样，也可以将Block块的外部信号变化传递给Block块的内部信号。对VHDL语言中的Block模块进行仿真时，Block模块中所描述的各个语句是可以并发执行的，和模块中的语句书写顺序无关。进程语句是一段程序，这段程序是顺序执行的。3 用结构描述法和GENERATE语句设计一个8位移位寄存器

8、。答：LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY shift_register ISPORT(a，clk： IN STD_LOGIC； b： OUT STD_LOGIC)；END ENTITY shift_regester； ARCHITECTURE eight_BIT_shift_register OF shift_register ISCOMPONENT dff - dff元件调用 PORT(a，Clk： IN STD_LOGIC； b： OUT STD_LOGIC)； END COMPONENT； SIGNAL X： STD_LOGIC

9、_VECTOR(0 TO 4)；BEGIN X(0) = a； dff1：dff PORT MAP (X(0)，clk，Z(1)； dff2：dff PORT MAP (X(1)，clk，Z(2)；dff3：dff PORT MAP (X(2)，clk，Z(3)； dff4：dff PORT MAP (X(3)，CLK，Z(4)；dff5：dff PORT MAP (X(4)，CLK，Z(5)；dff6：dff PORT MAP (X(5)，CLK，Z(6)；dff7：dff PORT MAP (X(6)，CLK，Z(7)；dff4：dff PORT MAP (X(7)，CLK，Z(8)； B

10、 1.2 ns， Int_fall = 1.7 ns， Ext_rise = 2.6 ns， Ext_fall = 2.5 ns)； END FOR； FOR I2 ： inv USE ENTITY WORK.inv(inv_gen1) GENERIC MAP(int_rise = 1.3 ns， Int_fall = 1.4 ns， Ext_rise = 2.8 ns， Ext_fall = 2.9 ns)； END FOR； FOR AN1 ： and3 USE ENTITY WORK.and3(and3_gen1) GENERIC MAP(int_rise = 2.2 ns， Int_f

11、all = 2.7 ns， Ext_rise = 3.6 ns， Ext_fall = 3.5 ns)； END FOR； FOR AN2 ： and3 USE ENTITY WORK.and3(and3_gen1) GENERIC MAP(int_rise = 2.2 ns， Int_fall = 2.7 ns， Ext_rise = 3.1 ns， Ext_fall = 3.2 ns)； END FOR； FOR AN3 ： and3 USE ENTITY WORK.and3(and3_gen1) GENERIC MAP(int_rise = 2.2 ns， Int_fall = 2.7

12、ns， Ext_rise = 3.3 ns， Ext_fall = 3.4 ns)； END FOR； FOR AN4 ： and3 USE ENTITY WORK.and3(and3_gen1) GENERIC MAP(int_rise = 2.2 ns， Int_fall = 2.7 ns， Ext_rise = 3.0 ns， Ext_fall = 3.1 ns)； END FOR； END FOR；END decode_gen1_con；4 计一个加法器，元件例化后放入库中备用。答：半加器及全加器VHDL程序设计(1)。LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1

13、164.ALL；ENTITY full_adder IS PORT (a，b，cin:IN STD_LOGIC； Sum，co:OUT STD_LOGIC)；END full_adder；ARCHITECTURE full1 OF full_adder ISCOMPONENT half_adder PORT (a，b:IN STD_LOGIC； S，co:OUT STD_LOGIC)；END COMPONENT；SIGNAL u0_co，u0_s，u1_co:STD_LOGIC；BEGIN U0:half_adder PORT MAP (a，b，u0_s，u0_co)； U1:half_add

14、er PORT MAP (u0_s，cin，sum，u1_co)； Co = u0_co OR u1_co；END full1；半加器及全加器VHDL程序设计(2)。LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY half_adder IS PORT (a，b:IN STD_LOGIC； S，co:OUT STD_LOGIC)；END half_adder；ARCHITECTURE half1 OF half_adder ISSIGNAL c，d:STD_LOGIC；BEGIN C = a OR b； D = a NAND b； Co = NOT

15、 d； S = c AND d；END half1；5 简述层次化设计的过程。答：层次化设计是指对于一个大型设计任务，将目标层层分解，在各个层次上分别设计的方法。有些设计，在一些模块的基础上，通过搭建积木的方法进行设计。有人称，在整个设计任务上进行行为描述的设计方法，称为高层次设计，而从事某一模块、某一元件行为设计称为底层设计方法。6 什么是库，程序包，子程序，过程调用，函数调用？答：库(libraries)和程序包(package)用来描述和保存元件、类型说明、函数、模块等，以便在其他设计中可随时引用它们。库(libraries)是用来存储和放置可编译的设计单元的地方，通过其目录可查询、调用

16、。设计库中的设计单元(实体说明、结构体、配置说明、程序包说明和程序包体)可以用作其他VHDL描述的资源。函数和过程统称为子程序。子程序由过程和函数组成。在子程序调用过程中，过程能返回多个变量，函数能返回一个变量。若子程序调用是一个过程，就称为过程调用；若子程序调用是一个函数，则称为函数调用。过程调用和函数调用都是子程序调用。函数的参数都是输入参数。过程的参数有输入、输出和双向参数。函数有顺序函数、并行函数。过程有顺序过程、并行过程。7. 编写一个OR函数，重载它，对不同的数据类型进行OR运算。答： 参考例4-24 读者自行编写。第5章思考题解答1 CLK信号怎样用VHDL语言描述？答：时钟信号

17、的上升沿的描述：if clkevent and clk = 1 then ;时钟信号的下降沿的描述: if clk event and clk = 1 then ;2 异步复位怎样用VHDL语言描述？答:当复位信号低电平有效时,VHDL的描述为:if reset = 0 then ;当复位信号高电平有效时, VHDL的描述为:if reset =1 then ;3 设计一个8位循环移位寄存器。答: 8位循环计寄存器的VHDL参考程序设计如下： LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY circleshift8 IS PORT (seldat

18、a:in std_logic_vector(2 downto 0); clr,clk: IN STD_LOGIC; sel: OUT STD_LOGIC_vector(7 downto 0);END circleshift8;ARCHITECTURE sample OF circleshift8 ISbeginprocess(clk,clr) Beginif (clr=1)then selselselselselselselsel sel=;end case; end if; end process;end sample;4. 设计一个六十进制计数器。答: 60进制计数器的VHDL参考程序设计

19、如下：Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;-* Entity counter60 is port( cp:in std_logic; bin:out std_logic_vector(6 downto 0); s:in std_logic; clr:in std_logic; ec:in std_logic; cy60:out std_logic ); End counter60;-*Architecture b of coun

20、ter60 is signal q:std_logic_vector(6 downto 0); signal rst,dly:std_logic;begin process(rst,cp) begin if rst=1 then q=; - cy(60)=0; elsif cpevent and cp=1 then dly=q(5); if ec=1then if q=59 then q=; else q=q+1; end if; else q=q; end if; end if; end process; cy60= not q(5) and dly; rst= clr; bin=q whe

21、n s=1 else ;End b;5. 设计一个八位编码器。答: 八位编码器的VHDL参考程序设计如下：LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY priotyencoder IS PORT (d : IN Std_Logic_Vector (7 Downto 0)； E1: IN Std_Logic； GS，E0: OUT BIT STD_LOGIC； Q : OUT Std_Logic_Vector(2 Downto 0)；END priotyencoder；ARCHITECTURE encoder OF prioty encoder

22、ISBEGIN P1: PROCESS ( d )BEGIN IF ( d(0) = 0 AND E1 = 0 ) THEN Y = 111； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(1) = 0 AND E1 = 0 ) THEN Q = 110； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(2) = 0 AND E1 = 0 ) THEN Q = 101 ； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(3) = 0 AND E1= 0 ) THEN Q = 100 ； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(4) = 0 AND E1= 0

23、) THEN Q = 011 ； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(5) = 0 AND E1= 0 ) THEN Q = 010 ； GS = 0 ； E0 = 1 ； ELSIF (d(6) = 0 AND E1 = 0 ) THEN Q = 001 ； GS= 0 ； E0= 1 ； ELSIF (d(7) = 0 AND E1 = 0 ) THEN Q = 000 ； GS = 0 ；E0 = 1 ； ELSIF (E1 = 1 ) THEN Q = 111 ； GS = 1 ； E0 = 1 ； ELSIF (d = 1111 1111 AND E1 = 0 )

24、THEN Q = 111 ； GS = 1 ； E0 = 0 ； END IF； END PROCESS P1； END encoder；6. 设计一个三八译码器。答: 三八译码器的VHDL参考程序设计如下：LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY decoder3_8 IS PORT (a，b，c，g1，g2a，g2b:IN STD_LOGIC； Y:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)；END decoder3_8；ARCHITECTURE rtl OF decoder3_8 ISSIGNAL indata:

25、STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)；BEGIN Indata y y y y y y y y y = XXXXXXXX ； END CASE； ELSE Y = ； END IF； END PROCESS；END rtl；7. 设计一个N位通用加法器。答: 设N=8位时，通用加法器的VHDL参考程序设计如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY B8_adder IS PORT (a,b,cin:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); Sum,co:OUT STD_LOGIC_VECTO

26、R(7 DOWNTO 0);END B8_adder;ARCHITECTURE STRUCTURE OF B8_adder ISCOMPONENT full_adder PORT (a,b,cin:IN STD_LOGIC; Sum,co:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT;BEGIN ga: for i in 0 to 7 generate adder: full_adder PORT MAP (a(i),b(i),cin(i),Sum(i),co(i); end generate;END STRUCTURE;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOG

27、IC_1164.ALL;ENTITY full_adder IS PORT (a,b,cin:IN STD_LOGIC; Sum,co:OUT STD_LOGIC);END full_adder;ARCHITECTURE full1 OF full_adder ISCOMPONENT half_adder PORT (a,b:IN STD_LOGIC; S,co:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT;SIGNAL u0_co,u0_s,u1_co:STD_LOGIC;BEGIN U0:half_adder PORT MAP (a,b,u0_s,u0_co); U1:hal

28、f_adder PORT MAP (u0_s,cin,sum,u1_co); Co = u0_co OR u1_co; END full1;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY half_adder IS PORT (a,b:IN STD_LOGIC; S,co:OUT STD_LOGIC);END half_adder;ARCHITECTURE half1 OF half_adder ISSIGNAL c,d:STD_LOGIC;BEGIN C = a OR b; D = a NAND b; Co = NOT d; S = c AND

29、 d;END half1;8.为什么要层次化设计？答: 原因有二。第一，对于一个大型设计项目，层次分解后，由不同设计人员分别进行设计，可以大大提高设计效率。第二 层次分解后，各个层次由不同的设计模块构成，可以分别测试，验证。大大降低了项目的风险和难度。9Moore型状态机和Mealy型状态机有什么相同和不同？答: Moore型状态机的输出信号仅与现态相关，Moore 型状态机输出是现态的函数，Mealy型状态机输出是现态和输入的函数。10一位有效状态机有什么优点？答:一位有效编码，比顺序编码方式占用资源多，在目标器件具有较多寄存器资源，并且寄存器之间组合逻辑较少时，一位有效编码是一个比较合适的

30、方法。11设计一个3位8状态机。答: library ieee；use ieee.std_logic_1164.all；entity memory_controller is port ( reset， read_write， ready， burst， clk : in std_logic； bus_id : in std_logic_vector(7 downto 0)； oe，we : out std_logic； addr : out std_logic_vector(1 downto 0)；end memory_controller；architecture state_machin

31、e of memory_controller is type StateType is (idle， decision， read1， read2， read3， read4， write)； signal present_state，next_state : StateType；beginstate_comb:process(reset， bus_id， present_state， burst， read_write， ready)begin if (reset = 1) then -复位处理 oe =-； addr =； next_state oe =0； we =0； addr =00

32、； if (bus_id) = ) then next_state = decision； else next_state oe =0； we =0； addr =00； if (read_write) = 0) then next_state = read1； else read_write=0next_state oe =1； we =0； addr =00； if (ready = 0) then next_state = read1； elsif (burst =0) then next_state = idle； else next_state oe =1； we =0； addr =01； if (ready = 1) then next_state = read3； else next_state oe =1