第四章 VHDL编程基础
第四章 VHDL编程基础
主要内容 硬件描述语言及其特点 ·HDL程序基本结构 ·VHDL语言要素 ·VHDL结构体描述方式
主要内容 • 硬件描述语言及其特点 • VHDL程序基本结构 • VHDL语言要素 • VHDL结构体描述方式
4.1 硬件描述语言及其特点 4,1,1硬件描述语言的基本概念 硬件描述语言很好地解决了文本语言描述和逻辑图描述存在 的不足。它 长】 子逼过精定义的句描述网量工 司以通过纤算机仿真设计好的逻辑网络，而直仿真中包含了硬 件特性。 4,1.2常用硬件描述语言简介 具前常用的硬件描述语言有VHDL、Verilog、.AHDL和ABEL 语言。 VHDL的英文全名是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language,l982年发源于美 国防部一1987年底被和美国防部认为标准硬件语言。 1993年EEE对VHDL进行了修订，公布了新版本的VHDL 即IEEE标准的1076-1993版本
4.1 硬件描述语言及其特点 4.1.1 硬件描述语言的基本概念 硬件描述语言很好地解决了文本语言描述和逻辑图描述存在 的不足。它是一种类似于C、C++的计算机高级语言，允许设 计者通过精确定义的语句描述逻辑网络的任何操作，更重要的 可以通过计算机仿真设计好的逻辑网络，而且仿真中包含了硬 件特性。 4.1.2 常用硬件描述语言简介 目前常用的硬件描述语言有 VHDL、Verilog、AHDL和 ABEL 语言。 VHDL 的英文全名是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language, 1982年发源于美 国国防部，1987年底被和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 1993年,IEEE 对 VHDL 进行了修订，公布了新版本的 VHDL， 即 IEEE 标准的1076-1993版本
4.1 硬件描述语言及其特点（续） 4,1.3 DL特点 ·DL具有更强的行为描述能力 支持团队设计模式 ·系统设计与硬件结构无关 ·具有较强的预测能力 ·自动化程度高 ·具有极强的移植能力
4.1 硬件描述语言及其特点（续） 4.1.3 VHDL特点 • VHDL具有更强的行为描述能力 • 支持团队设计模式 • 系统设计与硬件结构无关 • 具有较强的预测能力 • 自动化程度高 • 具有极强的移植能力
4.2 DL程序基本结构 4,2.1实体描述 实烋是一个模块的表层设计单元，其功能是该模块与外 部电进石接口的塍一 它差义了模块的输人输世接合信号 或，是模块经封裹后对你的一个通信面。 ENTITY simple_gate IS PORT( AO A,B,C:IN BIT; 结构体 定义模块功能 F(A,B,C) F:OUT BIT ) 实体描述单元 END simple_gate; 图4.2通用VHDL模块
4.2 VHDL程序基本结构 4.2.1 实体描述 实体是一个模块的表层设计单元，其功能是该模块与外 部电路进行接口的描述，它定义了模块的输入输出接口信号 或引脚，是模块经封装后对外的一个通信界面。 ENTITY simple gate IS PORT( A, B, C: IN BIT; F : OUT BIT ); END simple gate; 结构体 定义模块功能 图4.2 通用VHDL模块 A B C 实体描述单元 F(A, B, C)
4.2.1 实体描述（续） 端口声明的语句格式是： 标识符：端口模式数据类型； VDL可综合的端口模式有以下四种： ·N”通道为单向只读模式，规定数据只能通过此端口被 读入实体中。 ·“OUT”通道为单向输出模式，规定数据只能通过此端口 从实体向外流出，或者说可以将实体中的数据向此端口赋值 ·INOUT”定义的通道确定为输入输出双向端口，即从端 ▣的内部看，可以对此端口进行赋值，也可以通过此端口读 入外部的数据；而从端口的外部看，信号既可以从此端口流 出，也可以向此端口输入信号，如RAM的数据端口。 ·“BUFFER”功能与NOUT类似，区别在于当需要输入数 据时，只允许内部回读输出的信号，即允许反馈
4.2.1 实体描述（续） 端口声明的语句格式是： 标识符：端口模式 数据类型； VHDL可综合的端口模式有以下四种： •“IN”通道为单向只读模式，规定数据只能通过此端口被 读入实体中。 •“OUT”通道为单向输出模式，规定数据只能通过此端口 从实体向外流出，或者说可以将实体中的数据向此端口赋值 。 •“INOUT” 定义的通道确定为输入输出双向端口，即从端 口的内部看，可以对此端口进行赋值，也可以通过此端口读 入外部的数据；而从端口的外部看，信号既可以从此端口流 出，也可以向此端口输入信号，如RAM的数据端口。 •“BUFFER” 功能与INOUT类似，区别在于当需要输入数 据时，只允许内部回读输出的信号，即允许反馈
4.2.2 结构体描述 定义好模块的实体以后，就可以用结构体声明描述模块 具体做什么，实现怎样的逻辑功能。最典型的结构体描述方 式有以下三种： •行为描述：不考虑硬件实现的途径，直接建立输入与输出 之间的关系。 ·结构描述：通过组合如基本逻辑门电路等更初级的部件构 造实现逻辑功能。 ·数据流描述：通过定义模块中信号的流动方向描述模块功 能，也可以看作一种特殊的行为描述模式
4.2.2 结构体描述 定义好模块的实体以后，就可以用结构体声明描述模块 具体做什么，实现怎样的逻辑功能。最典型的结构体描述方 式有以下三种： •行为描述：不考虑硬件实现的途径，直接建立输入与输出 之间的关系。 •结构描述：通过组合如基本逻辑门电路等更初级的部件构 造实现逻辑功能。 •数据流描述：通过定义模块中信号的流动方向描述模块功 能，也可以看作一种特殊的行为描述模式
4.2.2结构体描述（续) V付DL语言中，结构体描述的一般形式如下： ARCHITECTURE结构体名OF实体名IS 说明语句1； 说明语句2； BEGIN 功能描述语句1； 功能描述语句2： END结构体名；
4.2.2 结构体描述（续） VHDL语言中，结构体描述的一般形式如下： ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 说明语句1; 说明语句2; … BEGIN 功能描述语句1； 功能描述语句2； … END 结构体名;
4.2.3 模块设计实例 例4.1双输入与非门的VDL设计 AO 一双输入与非门实体描述 NAND2 F(A,B) ENTITY nand2 IS PORT (A,B:IN BIT; F:OUT BIT ) A B F END nand2; 0 -以下是双输入与非门的结构体描述 ARCHITECTURE behavioral OF nand2 IS 0 BEGIN 0 F<=A NAND B; END behavioral;
4.2.3 模块设计实例 --双输入与非门实体描述 ENTITY nand2 IS PORT (A, B: IN BIT; F: OUT BIT ); END nand2; --以下是双输入与非门的结构体描述 ARCHITECTURE behavioral OF nand2 IS BEGIN F<=A NAND B; END behavioral; 例4.1 双输入与非门的VHDL设计 图4.3 双输入与非门模块 A B NAND2 F(A,B) 0 1 A B F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 图4.3 双输入与非门模块 A B NAND2 F(A,B) 0 1 A B F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1
4.2.3 模块设计实例（续） 例4.22选1多路选择器的VHDL设计 A -2选1多路选择器的实体描述 21mux ENTITY mux21 IS PORT(A,B:IN BIT; S:IN BIT; (a)21mux实体 Y:OUT BIT); END mux21; -以下是2选1多路选择器的结构体描述 ARCHITECTURE structural OF mux21 IS A SIGNAL D,E:BIT; BEGIN D<=A AND S; E<=B AND(NOT S); Y<=D OR E; END structural; (b)21mux结构体
4.2.3 模块设计实例（续） --2选1多路选择器的实体描述 ENTITY mux21 IS PORT(A，B: IN BIT; S: IN BIT; Y: OUT BIT); END mux21; --以下是2选1多路选择器的结构体描述 ARCHITECTURE structural OF mux21 IS SIGNAL D, E: BIT; BEGIN D<=A AND S; E<=B AND (NOT S); Y<=D OR E; END structural; 例4.2 2选1多路选择器的VHDL设计 图4.4 2选1多路选择器 A B S Y S B A 21mux Y （a）21mux 实体 （b）21mux 结构体 D E 图4.4 2选1多路选择器 A B S Y S B A 21mux Y （a）21mux 实体 （b）21mux 结构体 D E