vhdl设计初步(新模版)课件

VHDL设计初步本课程将介绍VHDL的基本语法，并带领大家进行简单的设计练习。byVHDL简介硬件描述语言VHDL是一种用于描述电子硬件的语言，用于设计和验证数字电路。可读性强VHDL语法类似于自然语言，便于理解和编写代码。可移植性好VHDL语言独立于硬件平台，可用于不同的芯片制造商和技术。VHDL语言结构实体用于描述硬件模块的外部接口和行为。架构体用于描述硬件模块的内部结构和实现方式。信号用于在硬件模块之间传递数据。VHDL基本模型行为模型描述电路的功能，不关注具体实现细节。使用过程语句和信号赋值来描述电路行为。例如，使用“if-then-else”语句来描述一个加法器的行为。结构模型描述电路的结构，通过连接不同的基本电路模块来构建复杂电路。使用实例化语句来创建电路模块的实例，并使用信号连接不同模块的端口。数据流模型描述电路中数据流的流动，使用赋值语句和算术运算符来描述数据在电路中的处理方式。每个赋值语句表示一个数据流，例如，一个赋值语句可以描述一个加法器的输入和输出之间的数据流。实体ENTITY定义1定义实体是VHDL中用来描述硬件模块的基本单元。它类似于硬件设计中的一个黑盒子，只描述模块的外部接口，而不涉及内部实现细节。2语法实体定义使用ENTITY关键字，后跟实体名称和端口定义。端口定义用于描述模块的输入和输出信号。3实例化实体可以通过实例化语句在其他模块中使用，将实体实例化成一个具体的硬件模块。端口PORT定义1方向输入(IN)或输出(OUT)2数据类型例如：STD_LOGIC,BIT,INTEGER3名称用于标识端口架构ARCHITECTURE定义1描述硬件行为2定义实体内部结构3实现功能逻辑数据类型与运算符数据类型VHDL支持多种数据类型，包括：位类型(BIT)标准逻辑类型(STD_LOGIC)整型(INTEGER)实型(REAL)枚举类型(ENUMERATION)运算符VHDL提供各种运算符，用于执行算术、逻辑、关系和位操作，例如：算术运算符:+,-,*,/,MOD,**逻辑运算符:AND,OR,XOR,NOT关系运算符:=,/=,<,>,<=,>=位运算符:AND,OR,XOR,NOT,&常量与变量1常量在整个程序执行过程中保持不变的值。使用关键字CONST定义。常量可以在设计中被多次使用，从而提高代码的可读性和可维护性。2变量在程序执行过程中可以改变的值。使用关键字SIGNAL或VARIABLE定义。变量是存储数据的容器，可以在程序中被修改。它们是设计中不可或缺的一部分。过程语句顺序执行过程语句按照顺序执行，类似于编程语言中的函数或方法。敏感信号列表过程语句包含一个敏感信号列表，当列表中任何信号发生变化时，过程语句将被执行。并行执行过程语句可以在硬件中并行执行，多个过程语句可以同时运行，从而实现并行处理。条件语句1IF语句根据条件判断执行不同的代码2CASE语句根据条件选择执行不同的代码3WHEN语句匹配特定条件执行代码循环语句1for循环用于重复执行一段代码，直到满足条件为止。2while循环在条件满足的情况下，重复执行一段代码。3loop循环无限循环，直到遇到退出循环的语句。软件仿真功能验证在实际硬件实现之前，可以使用软件仿真来验证设计的功能是否正确。调试错误在软件仿真中，可以方便地调试代码，找出设计中的逻辑错误。优化性能通过仿真，可以评估设计的性能，例如速度和资源利用率。硬件建模行为描述描述电路的功能，而不关心电路的具体实现方式。结构描述描述电路的结构，包括各个器件的连接方式。数据流描述描述数据在电路中的流动方式，以及各个器件对数据的处理方式。时序建模上升沿触发在时钟信号上升沿时，电路状态发生变化。下降沿触发在时钟信号下降沿时，电路状态发生变化。时钟信号宽度时钟信号的脉冲宽度影响电路的时序行为。组合逻辑电路设计基本概念组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入，不依赖于之前的状态。常用结构常见的组合逻辑电路结构包括编码器、译码器、多路选择器、比较器等。设计方法设计组合逻辑电路通常使用真值表、卡诺图或布尔表达式进行逻辑实现。实例例如，使用VHDL语言实现一个简单的2-to-4译码器。时序逻辑电路设计1触发器基本存储单元2计数器计数脉冲3移位寄存器数据位移状态机设计1状态描述系统不同行为的阶段2事件触发状态转换的条件3动作状态转换时执行的操作存储电路设计1寄存器最基本的存储单元，用于存储单个数据位或字。例如：D触发器、JK触发器。2RAM随机存取存储器，可随机访问任何存储位置。主要分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。3ROM只读存储器，存储的数据在制造时被写入，无法修改。用于存放程序代码、常量数据等。4FIFO先进先出队列，数据按先进先出的顺序进行存储和读取。设计综合1逻辑优化将设计转化为可实现的硬件结构。2技术映射将逻辑结构映射到目标器件的库单元。3时序优化优化时序性能，确保设计满足时序要求。综合报告分析综合报告分析综合报告以了解设计是否符合预期，并识别潜在问题。时序分析检查时序路径、关键路径和时序裕量，确保设计满足时序要求。资源利用评估逻辑门、寄存器、RAM和其他资源的使用情况，优化资源分配。管脚分配1引脚定义确定每个引脚的功能，例如输入、输出、电源、接地等。2分配原则根据设计需求，将引脚分配给不同的信号和功能。3信号分配将输入信号分配到输入引脚，将输出信号分配到输出引脚。4电源接地将电源引脚连接到电源，将接地引脚连接到接地。IO标准选择速度选择合适的IO标准可以提高速度和性能。信号完整性IO标准会影响信号的完整性和抗干扰能力。功耗不同的IO标准会消耗不同的能量。成本不同的IO标准价格会有所不同。时序分析时钟周期时钟周期是时钟信号从一个上升沿到下一个上升沿的时间间隔。建立时间建立时间是指在时钟信号上升沿到来之前，数据信号必须保持稳定的最小时间间隔。保持时间保持时间是指在时钟信号上升沿到来之后，数据信号必须保持稳定的最小时间间隔。静态时序约束设置时钟定义时钟信号的周期、相位和占空比等参数，为时序分析提供基本信息。指定延迟设定信号在不同路径上的延迟，包括组合逻辑路径和时序路径的延迟。设置约束定义时序指标，例如建立时间、保持时间、最大延迟等，确保电路满足时序要求。动态时序约束动态时序约束动态时序约束是指在设计中根据实际情况调整时序约束。这些约束可以随设计变化而调整，以确保在不同条件下都能满足时序要求。动态电压调节动态电压调节是动态时序约束的一种应用，通过改变电路的电压来控制电路的性能，从而优化功耗和性能的平衡。时钟门控时钟门控是一种常见的动态时序约束技术，通过关闭不必要的时钟信号来减少功耗，并提高性能。设计调试仿真测试使用仿真工具验证设计行为，发现并修复逻辑错误。硬件测试在实际硬件平台上进行测试，验证设计功能和性能。调试工具使用逻辑分析仪、示波器等工具观察信号波形，定位问题。版本管理跟踪代码变更版本控制系统可以记录所有代码变更，方便追踪问题和恢复旧版本。团队协作多人协作开发时，版本控制系统可以协调代码修改，避免冲突。代码备份版本控制系统提供代码备份功能，防止意外数据丢失。设计文档设计规范详细说明设计原理，架构，功能，接口，性能，测试用例等等代码注释清晰易懂，便于阅读和维护设计流程记录设计步骤，版本迭代，问题解决等等设计流程总结设计软件选择合适的电子电路设计软件，例如AlteraQuartusII、XilinxVivado、ModelSim等，