Altera-CPLDFPGA轻松入门与开发实例第3章-解析课件

1、2022/10/10机械工业出版社Page 1第3章VHDL语言程序设计【学习目标】基本数字电路的VHDL描述有限状态机的基本描述和其状态编码方式表决器和双口RAM的灵活运用2022/10/9机械工业出版社Page 1第3章VHDL2022/10/10机械工业出版社Page 2第3章 VHDL语言程序设计基本数字电路的VHDL描述.1有限状态机（FSM）1.2应用实例1.32022/10/9机械工业出版社Page 2第3章 VHD2022/10/10机械工业出版社Page 33.1 基本数字电路的VHDL描述主要包括：基本逻辑电路编码器和译码器电路数据选择器加法器乘法器触发器计数器存储器202

2、2/10/9机械工业出版社Page 33.1 基本数字2022/10/10机械工业出版社Page 4 数学逻辑电路的数学基础是布尔代数，而反映基本的布尔代数运算的电路就叫做基本逻辑门电路，一般有2输入与非门、2输入或非门、反相器、2输入异或门等。 3.1.1 基本逻辑门电路2022/10/9机械工业出版社Page 4 数2022/10/10机械工业出版社Page 51、编码器编码器（ENCODER）可以对一组输入信号进行编码，不同的输入信号对应不同的码值，这样在电路系统中就可以有效地分辨出哪个是输入信号。 74147编码器电路元件图如图所示：3.1.2 编码器和译码器电路2022/10/9机械

3、工业出版社Page 51、编码器3.12022/10/10机械工业出版社Page 62、译码器译码器（DECODER）是对一个有效的编码方式进行解码，不同的编码值对应不同的输出信号，这样在电路系统中就可以根据不同的输出信号确定当前是哪个编码值。它常用于总线地址的分配、外部存储器选通等。 74154的4线-16线译码器电路元件图如图所示 。2022/10/9机械工业出版社Page 62、译码器2022/10/10机械工业出版社Page 73.1.3 数据选择器在数字逻辑电路中，信号的切换常用选择器电路（MUX）。在不同的条件下，在相同的线路上输出对应的信号，这就是选择器的功能。下面介绍2选1选择

4、器和16选1选择器两种选择器。1、2选1选择器2选1选择器电路是在一个选通信号控制下，对两个输入信号进行切换输出的一种电路。在集成开发环境Quartus II中，2选1选择器电路元件图如图所示。2022/10/9机械工业出版社Page 73.1.3 数据2022/10/10机械工业出版社Page 82、16选1选择器16选1选择器电路有一个全局控制信号，4个选通信号sel（3 downto 0），16个输入信号datain（15 downto 0），1个输出信号dataout，它将对16个输入信号进行切换输出。在集成开发环境Quartus II中，16选1选择器电路元件图如图3-11所示。 2

5、022/10/9机械工业出版社Page 82、16选1选择2022/10/10机械工业出版社Page 93.1.4 加法器 加法器电路是数字电路中运算器的重要单元，而运算器又是微处理器的核心部分。加法器电路又分为半加器和全加器，在集成开发环境Quartus 中，还可以自定制加/减法电路。1、半加器半加器是不带进位位信号的加法器，其逻辑表达式是：sum=dataA+dataB。 半加器电路的功能示意图如下所示：2、全加器 全加器是带进位位信号的加法器，其逻辑表达式是：sum=dataA+dataB+carryin。 2022/10/9机械工业出版社Page 93.1.4 加法2022/10/10

6、机械工业出版社Page 103.1.5 乘法器 乘法器电路是数字电路中重要的基本运算，许多高级计算如平方、求倒数、指数、三角函数等都要用到乘法运算。在可编辑逻辑器件中实现数字式乘法器一般有以下几种方法：在硬件加法器和移位器的基础上采用软件实现乘法运算；在硬件加法器和移位器的基础上再适当添加一些硬件构成乘法器；直接在硬件电路中设计专用的硬件乘法器。2022/10/9机械工业出版社Page 103.1.5 乘2022/10/10机械工业出版社Page 11 构成时序逻辑电路的基本单元是触发器（Flip-Flop，FF）。触发器是能够存储1位二进制码的逻辑电路，它有两个互补的输出端，其输出状态不仅和

7、输入信号有关，而且还和原来的输出状态有关。 触发器按电路结构分类有基本RS触发器、同步触发器、主从触发器、边沿触发器。它们的触发翻转方式不同。 按电路功能分类有RS触发器、JK触发器、T触发器、D触发器，3.1.6触发器电路2022/10/9机械工业出版社Page 11 构成3.1.7 寄存器电路 寄存器电路是数字逻辑电路的基础模块，寄存器用于寄存一组二值代码，它被广泛地用于各类数字系统和数字计算机中。 -10位通用寄存器-串入-串出移位寄存器-串入-并出移位寄存器-循环移位寄存器-双向移位寄存器-串/并入-串出移位寄存器3.1.7 寄存器电路 寄存器电路是数字逻辑电路的3.1.8 计数器电路

8、 在数字逻辑电路中，使用最多的时序逻辑电路要算是计数器了。计数器不但可以用于对时钟脉冲的计数，还被广泛地应用于各类数字系统的分频、定时、产生节拍脉冲、产生脉冲序列已经进行数字运算等。 按照计数器中触发器是否同时翻转分类，可以把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时，触发器的翻转是同时变化的，而在异步计数器中当时钟脉冲输入时，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。3.1.8 计数器电路 在数字逻辑电路中，使用最多1、同步计数器 同步计数器就是指在时钟信号（计数脉冲）的控制作用下，构成计数器电路的各个触发器状态同时发生变化的那类计数器。 -带使能端的十二进制计数器；

9、 -六十进制计数器； -加/减计数器2、异步计数器 异步计数器也称为行波计数器，它的第一位计数器的输出将作为高一位计数器的时钟信号，这样一级一级串行连接起来就构成了一个多位的异步计数器。1、同步计数器 同步计数器就是指在3.1.9 存储器 在数字电路中，存储器是一种能够存储大量二进制信息的逻辑电路，它经常用于数字系统中大量数据的存储。通常存储器的种类很多，它按照存储器功能的不同可以分为只读存储器（Read Only Memory ，ROM）和随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）两大类。 1、只读存储器 只读存储器是一种重要的时序逻辑存储电路，它只能进行读出而不能写

10、入。它的逻辑功能是在地址信号的选择下从指定的存储单元中读取相应的数据。3.1.9 存储器 在数字电路中，存2、随机存储器 随机存取存储器是另外一种重要的时序逻辑存储电路，它的逻辑功能是在地址信号的选择下对指定的存储单元进行相应的读或者写操作。这里，随机存储器不但可以读取数据，而且还可以进行存储数据的修改或者重新写入，因此它一般用于动态数据的存储。下图为容量为2568bit的随机存储器的逻辑符号图：2、随机存储器 随机存取存储器是另外一3.2 有限状态机（FSM） 状态机就是一组触发器的输出状态随着时钟和输入信号按照一定的规律变化的一种机制过程。任何时序电路都可以表示为有限状态机（Finite

11、State Machine，FSM），有限状态机是实现高可靠逻辑电路控制的重要途径，是大型数字系统设计中的重要组成部分，尤其是进行复杂时序逻辑电路的实现 。3.2 有限状态机（FSM） 状态机3.2.1 有限状态机的基本描述 有限状态机根据输出信号与当前状态以及输入信号的关系来分，可以分为Moore型和Mealy型两种：输出信号只和当前状态有关的状态机成为Moore型状态机；输出信号不仅和当前状态有关，而且也和输入信号有关的状态机称为Mealy型状态机 3.2.1 有限状态机的基本描述 有限状3.2.2 有限状态机状态编码方式 在状态机的设计中，状态机的状态编码有多种方式：一种是用文字符号定义

12、各状态变量；另一种是直接用具体的二进制数组合来进行状态变量的定义。 1、符号化的状态编码 2、直接状态编码 （1）顺序编码； （2）状态位直接输出编码； （3）一位有效得热码状态编码； （4）其他编码方式3.2.2 有限状态机状态编码方式 在3.2.3 有限状态机的输出和复位1、同步输出信号 在有限状态机的结构框图中，无论是Moore型有限状态机还是Mealy型状态机，它们的输出信号都是经由组合逻辑电路输出的，因此输出信号会产生“毛刺”现象。这里介绍一种用时钟信号来同步输出信号以消除“毛刺”现象的方法。 设计图如下所示：3.2.3 有限状态机的输出和复位1、同步输出信号2、 有限状态机的复位 和其他时序逻辑电路一样，有限状态机的复位信号也分为同步复位和异步复位两种。（1）有限状态机的同步复位 同步复位信号在时钟的跳变沿到来时，将对有限状态机进行复位操作，同时将复位值赋给输出信号并使有限状态机回到空闲状态。（2）有限状态机的异