大学数字电路第十一章 硬件描述语言

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1、第十一章硬件描述语言（VHDL）211.1概述211.2VHDL基本结构411.2.1实体（ENTITY）511.2.2结构体（ARCHITECTURE）611.2.3配置（CONFIGURATION）711.2.4库（LIBRARY）711.2.5包（PACKAGE）811.3VHDL语言元素1011.3.1VHDL词法规则与标识符1011.3.2数据对象和数据类型1111.3.3运算符(operator)1311.4VHDL常用编程语句1411.4.1顺序（SEQUENTIAL）描述语句14

2、11.4.2并发（CONCURENT）描述语句1611.5基本逻辑电路设计2011.5.1组合逻辑电路设计2011.5.2时序逻辑电路设计25习题29参考文献30第30页共30页内容提要本章简要说明了用VHDL语言设计硬件电路的基本过程，介绍了VHDL语言的基本结构、语言元素，详细介绍了VHDL语言的常用编程语句以及基本组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法。第十一章硬件描述语言（VHDL）11.1概述在传统的硬件电路设计中，主要的设计文件是电路原理图，而采用HDL（HardwareDescrip

3、tionLanguage）设计系统硬件电路时主要使用HDL编写源程序。该语言可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系。VHDL（VHSIC*VHSIC是VeryHighSpeedIntegratedCircuit的缩写。HardwareDescriptionLanguage）和verilogHDL作为IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域，用来描述、验证和设计电子线路，得到了广泛的接受和应用

4、。为了用一种标准的方法描述电子系统，1980年，美国国防部开始进行VHDL的开发，。1987年由IEEE将VHDL制定为标准——IEEEVHDL语言参考手册标准草案1076／B版(IEEEVHDLLanguageReferenceManualDraftStandardversion1076／B)，称为IEEE1076—1987。应当注意，起初VHDL，只是作为描述系统规范(SystemSpecification)而制定的一个标准，而不是为设计系统而制订的。第2个版本VHDL—93在1993年推出

5、。它相对于VHDL—87没有什么大变化。只是增添了主要是对VHDL模型的某些新的VHDL命令和属性。在本章，只介绍VHDL—87。VHDL作为一个规范语言和建模语言，其第一个模拟器出现于20世纪80年代后期，80年代末，随着VHDL的标准化，利用VHDL开发电子系统的工具逐渐出现，在设计中开始使用VHDL。和其它HDL语言相比，VHDL语言的优点如下：一、易于共享和交流。易于将VHDL代码在不向的工作平台（如工作站和PC机）和开发工具之间交换，如在某一个制造商的模拟器用的VHDL程序可以不加修改

6、地移到另—制造商的模拟器。二、设计结果与工艺无关。设计者可以专心致力于其功能，即需求规范的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。当门级或门级以上层次的描述通过仿真后，再用相应的工具将设计映射成不同的工艺（如MOS、CMOS工艺等），这样，当工艺改进时，无须修改原设计程序，只要改变相应的映射工具即可。而在传统的原理图设计中、设计者必须用手工检查与工艺有关的因素如时序、面积、驱动强度、元件选择、扇出等。三、设计方法灵活、支持广泛。VHDL语言可以支持自上而下（TopDow

7、n）和基于库（Library-Based）的设计方法，支持同步电路、异步电路、FPGA以及其它随机电路的设计。其范围之广是其它HDL语言所不能比拟的。四、系统硬件描述能力强。VHDL语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直至门级电路。另外，高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述和结构描述混合使用。VHDL语言能进行系统级的硬件描述，是它的一个最突出的优点。第30页共30页所谓用VHDL设计是指由设计者编写代码，然后用模拟器验证其功能，再把这些代码综合成一个与工艺无关的网络表

8、，即翻译成由门和触发器等基本逻辑元件组成的原理图（门级电路），最后完成硬件设计。VHDL的一般设计流程如图11.1.1所示，分5步进行。图11.1VHDL的一般设计流程第1步：系统分析和划分。从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化。第2步：行为级描述和仿真。所谓行为描述，就是对整个系统的数学模型的描述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用什么方法来实现，而考虑系统的