第1章 硬件描述语言VHDL8739811.docx
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第1章硬件描述语言VHDL8739811
第1章硬件描述语言VHDL
数字系统设计分为硬件设计和软件设计,但是随着计算机技术、超大规模集成电路(CPLD、FPGA)的发展和硬件描述语言(HDL,HardwareDescriptionLanguage)的出现,软、硬件设计之间的界限被打破,数字系统的硬件设计可以完全用软件来实现,只要掌握了HDL语言就可以设计出各种各样的数字逻辑电路。
1.1老的硬件设计方法
老的硬件设计方法有如下几个特征:
(1)采用自下而上的设计方法
使用该方法进行硬件设计是从选择具体元器件开始,并用这些元器件进行逻辑电路设计,从而完成系统的硬件设计,然后再将各功能模块连接起来,完成整个系统的硬件设计,
(2)采用通用逻辑元器件
通常采用74系列和CMOS4000系列的产品进行设计
(3)在系统硬件设计的后期进行调试和仿真
只有在部分或全部硬件电路连接完毕,才可以进行电路调试,一旦考虑不周到,系统设计存在较大缺陷,则要重新设计,使设计周期延长。
(4)设计结果是一张电路图
当设计调试完毕后,形成电原理图,该图包括元器件型号和信号之间的互连关系等等。
老的硬件设计方法已经使用了几十年,是广大电子工程师熟悉和掌握的一种方法,但是现在这种方法老了,不仅方法老了,就连使用的元器件也老了。
1.2使用HTL的硬件设计方法
所谓硬件描述语言,就是利用一种人和计算机都能识别的语言来描述硬件电路的功能,信号连接关系及定时关系,它可以比电原理图更能表示硬件电路的特性。
该方法有如下特征:
(1)支持自顶向下的设计方法
所谓自顶向下的设计方法就是从系统的总体要求出发,自顶向下分三个层次对系统硬件进行设计。
第一个层次是行为描述,所谓行为描述,实际就是对整个系统的数学模型的描述,在行为描述阶段,并不真正考虑其实际操作和算法怎么实现,而是考虑系统的结构和工作过程是否能达到系统设计规格书的要求。
第二个层次是数据流描述,又称为寄存器描述或RTL方式描述,该描述比行为描述更注重硬件的具体实现,通过该描述可以导出系统的逻辑表达式,为逻辑综合作准备,当然进行逻辑综合和逻辑综合工具的能力有关,当然设计人员还必须了解逻辑综合工具的说明和规定,
第三个层次为逻辑综合。
该层次把RTL描述的程序转换成基本逻辑元件表示的文件,该文件就象老的设计方法中的电原理图。
(2)采用大量的ASIC芯片
(3)早期仿真以确定系统的可行性
(4)使设计更容易
只需写出系统的HDL源程序文件,其它由计算机去做
(5)全部设计文件就是HDL源程序文件
1.3VHTL硬件设计语言
当前ASIC制造商都自己开发了HDL语言,但是都不通用,只有美国国防部开发的VHDL语言成为了IEEE.STD_1076标准,并在全世界得到了承认。
该语言集成了各种HDL语言的优点,使数字系统设计更加简单和容易。
VHDL语言是一个规模庞大的语言,在使用它之前完全学会它是很难的,本书介绍的只是VHDL语言的一部分。
1.4VHDL语言的基本结构
VHDL语言通常包含实体(Entity),构造体(Architecture),配置(Configuration),包集合(Package),和库(Library)五部分.其中实体用于描述所设计的系统的外部接口信号;构造体用于描述系统内部的结构和行为;建立输入和输出之间的关系;配置语句安装具体元件到实体—结构体对,可以被看作是设计的零件清单;包集合存放各个设计模块共享的数据类型、常数和子程序等;库是专门存放预编译程序包的地方。
如下详细介绍。
1.4.1基本设计单元
VHDL的基本设计单元就是实体,无论数字电路复杂还是简单,都是由实体和构造体组成。
(1)实体说明
实体说明有如下结构:
ENTITY实体名IS
[端口说明]
END实体名;
(VHDL语言中不分大小写字母)
其中:
端口说明是对设计实体中输入和输出借口进行描述,格式如下:
PORT(端口名(,端口名):
方向数据类型名;
:
:
端口名(,端口名):
方向数据类型名);
端口名是赋予每个系统引脚的名称,一般用几个英文字母组成。
端口方向是定义引脚是输入还是输出,见下表:
方向
说明
IN
输入到实体
OUT
从实体输出输出
INOUT
双向
BUFFER
输出(但可以反馈到实体内部)
LINKAGE
不指定方向
常用的端口数据类型有两种:
BIT和BIT_VECTOR,当端口被说明为BIT时,只能取值“1”或“0”,
当端口被说明为BIT_VECTOR时,它可能是一组二进制数。
例:
PORT(n0,n1,select:
INBIT;
q:
OUTBIT;
bus:
OUTBIT_VECTOR(7DOWNTO0));
本例中,n0,n1,select是输入引脚,属于BIT型,q是输出引脚,BIT型,bus是一组8位二进制总线,属于BIT_VECTOR,
例:
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC.1164.ALL;
ENTITYmmIS
PORT(n0,n1,select:
INSTD_LOGIC;
Q:
OUTSTD_LOGIC;
Bus:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));
ENDmm;
在此例中端口数据类型取自IEEE标准库(该库中有数据类型和函数的说明),其中STD_LOGIC取值为“0”,“1”,“X”和“Z”。
因为使用了库所以在实体说明前要增加库说明语句。
(2)构造体
构造体是实体的一个重要部分,每一个实体都有一个或一个以上的构造体。
1)一般说明
构造体格式如下:
ARCHITECTURE构造体名OF实体名IS
[定义语句]内部信号,常数,数据类型,函数等的定义
BEGIN
[并行处理语句]
END构造体名;
例:
ENTITYnaxIS
PORT(a0,a1:
INBIT;
Sel:
INBIT;
Sh:
OUTBIT);
ENDnax;
ARCHITECTUREdataflowOFnaxIS
BEGIN
sh<=(a0ANDsel)OR(NOTselANDa1);
ENDdataflow;
构造体描述设计实体的具体行为,它包含两类语句:
●并行语句并行语句总是在进程语句(PROCESS)的外部,该语句的执行与书写顺序无关,总是同时被执行
●顺序语句顺序语句总是在进程语句(PROCESS)的内部,从仿真的角度,该语句是顺序执行的
一个构造体包含几个类型的子结构描述,这些描述是:
*BLOCK描述(块描述)
*PROCESS描述(进程描述)
*SUNPROGRAMS描述(子程序描述)
2)BLOCK语句描述
使用BLOCK语句描述的格式如下:
块标号:
BLOCK
BEGIN
:
:
ENDBLOCK块标号:
例:
二选一电路
ENTITYmuxIS
PORT(d0,d1,sel:
INBIT;
q:
OUTBIT);
ENDmux;
ARCHITECTUREconnectOFmuxIS
SIGNALtmp1,tmp2,tmp3:
BIT;
BEGIN
cale:
BLOCK
BEGIN
tmp1<=d0ANDsel;
tmp2<=d1AND(NOTsel);
tmp3<=tmp1ORtmp2;
q<=tmp3;
ENDBLOCKcale;
ENDconnect;
在对程序进行仿真时,BLOCK中的语句是并行执行的,与书写顺序无关,这一点和构造体中直接写的语句是一样的。
3)进程(PROCESS)描述
进程描述的格式如下:
[进程名]:
PROCESS(信号1,信号2,。
。
。
)
BEGIN
:
:
ENDPROCESS进程名;
*一般用于组合电路进程模式:
__进程标记:
PROCESS(__信号名,__信号名,__信号名)
VARIABLE__变量名:
STD_LOGIC;
VARIABLE__变量名:
STD_LOGIC;
BEGIN
--指定信号
--指定变量
--过程调用
--如果语句
--CASE语句
--循环语句
ENDPROCESS__进程标记;
*用于时序电路进程模式:
__进程标记:
PROCESS(__信号名,__信号名,__信号名)
VARIABLE__变量名:
STD_LOGIC;
VARIABLE__变量名:
STD_LOGIC;
BEGIN
WAITUNTIL__时钟信号='1';
--指定信号
--指定变量
--过程调用
--如果语句
--CASE语句
--循环语句
ENDPROCESS__进程标记;
例:
ENTITYmux1IS
PORT(d0,d1,sel:
INBIT;
q:
OUTBIT);
ENDmux1;
ARCHITECTUREconnectOFmux1IS
BEGIN
cale:
PROCESS(d0,d1,sel)
VARIABLEtmp1,tmp2,tmp3:
BIT;--在进程中定义的变量
BEGIN
tmp1:
=d0ANDsel;--输入端口向变量赋值
tmp2:
=d1AND(NOTsel);
tmp3:
=tmp1ORtmp2;
q<=tmp3;
ENDPROCESScale;
ENDconnect;
在PROCESS中的语句是顺序执行的,这一点和BLOCK中的语句是不一样的。
当PROCESS所带的信号量发生变化时,PROCESS中的语句就会执行一遍。
4)子程序描述
子程序的概念和其它高级程序中子程序的概念相同,在VHDL中有两种类型:
●过程(Procedure)
●函数(Function)
1.过程的格式:
PROCEDURE过程名(参数1,参数2。
。
。
。
)IS
[定义变量语句]
BEGIN
[顺序处理语句]
END过程名;
例:
PROCEDUREvector_to_int
(z:
INSTD_LOGIC_VECTOR;
x_flag:
OUTBOOLEAN;
q:
ININTEGER)IS
BEGIN
q:
=0;
x_flag:
=FALSE;
FORiINzRANGELOOP
q:
=q*2;
IF(z(i)=1)THEN
q:
=q+1;
ELSEIF(z(i)/=10)THEN
x_flag:
=TRUE;
ENDIF;
ENDLOOP;
ENDvector_to_int;
在过程中,语句是顺序执行的。
2.函数
函数的格式:
FUNCTION函数名(参数1,参数2。
。
。
。
)RETURN数据类型名IS
[定义变量语句]
BEGIN
[顺序处理语句]
RETURN[返回变量名];
END函数名;
在VHDL语言中函数的参数都是输入信号,
例:
FUNCTIONmin(x,y:
INTEGER)RETURNINTEGERIS
BEGIN
IFX RETURN(x); ELSE RETURN(y); ENDIF; ENDmin; 1.4.22包、库和配置 (1)库 库是经编译后的数据的集合,它存放包定义、实体定义、构造定义和配置定义。 在设计单元内的语句可以使用库中的结果,所以,库的好处就是设计者可以共享已经编译的设计结果,在VHDL中有很多库,但他们相互独立。 IEEE库: 在IEEE库中有一个STD_LOGIC的包,它是IEEE正式认可的包。 STD库: STD库是VHDL的标准库,在库中有名为STANDARD的包,还有TEXTIO包。 若使用STANDARD包中的数据可以不按标准格式说明,但是若使用TEXTIO包,则需要按照如下格式说明: LIBRARYSTD; USESTD.TEXTIO.ALL 另外还有ASIC库、WORK库和用户自定义库等。 库的使用: 在使用库之前,一定要进行库说明和包说明,库和包的说明总是放在设计单元的前面: LIBRARY库名; USELIBRARYname.package.name.ITEM.name 例: LIBRARYIEEE; USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL 该例说明要使用IEEE库中的1164包中所有项目 库的作用范围: 库的作用范围从一个实体说明开始到它所属的结构体、配置为止,当有两个实体时,第二个实体前要另加库和包的说明。 (2)包 通常在一个实体中对数据类型、常量等进行的说明只可以在一个实体中使用,为使这些说明可以在其它实体中使用,VHDL提供了程序包结构,包中罗列VHDL中用到的信号定义、常数定义、数据类型、元件语句、函数定义和过程定义,它是一个可编译的设计单元,也是库结构中的一个层次,使用包时可以用USE语句说明,例如: USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL 程序包分为包头和包体,包结构的格式如下: 1)包头格式: PACKAGE包名IS [说明语句] END包名 包头中列出所有项的名称。 2)包体格式: PACKAGEBODY包名IS [说明语句] END包名; 包体给出各项的具体细节。 例: 包头 USESTD.STD.LOGIC.ALL PACKAGElogicIS TYPEthree_level_logicIS(‘0’,’1’,’z’);//数据类型项目 CONSTANTunknown_value: three_level_logic: =’0’;//常数项目 FUNCTIONinvert(input: three_level_logic)//函数项目 RETURNthree_level_logic; ENDlogic; 例: 包体 PACKAGEBODYlogicIS FUNCTIONinvert(input: three_level_logic)//函数项目描述 BEGIN CASEinputIS WHEN‘0’=>RETURN‘1’; WHEN‘1’=>RETURN‘0’; WHEN‘Z’=>RETURN‘Z’; ENDCASE; ENDinvert; ENDlogic 该包使用例: USElogic.three_level_logic,logic.invert;//使用数据类型和函数两个项目 ENTITYinverterIS PORT(x: INthree_level_logic; y: OUTthree_level_logic); ENDinverter; ARCHITECTUREinverter_bodyOFinverterIS BEGIN kk: PROCESS BEGIN Y<=invert(x)AFTER10ns; WAITONx; ENDPROCESS; ENDinverter_body; (2)配置 用于在多构造体中的实体中选择构造体,例如,在做RS触发器的实体中使用了两个构造体,目的是研究各个构造体描述的RS触发器的行为性能如何,但是究竟在仿真中使用哪一个构造体的问题就是配置问题。 配置语句格式: CONFIGURATION配置名OF实体名IS [说明语句] END 配置名; 例: 最简单的配置 CONFIGURATION配置名OF实体名IS FOR被选构造体名 ENDFOR; END 配置名; 例: ENTITYrsIS PORT(set,reset: INBIT; q,qb: BUFFERBIT); ENDrs; ARCHITECTURErsff1OFrsIS COMPONENTnand2 PORT(a,b: INBIT; c: OUTBIT); ENDCOMPONENT; BEGIN U1: nand2PORTMAP(a=>set,b=>qb,c=>q) U2: nand2PORTMAP(a=>reset,b=>q,c=>qb) ENDrsff1; ARCHITECTURErsff2OFrsIS BEGIN q<=NOT(qbANDset); qb<=NOT(qANDreset); ENDrsff2 两个构造体,可以用配置语句进行设置: CONFIGRATIONrsconOFrsIS//选择构造体rsff1 FORrsff1 ENDFOR; ENDrscon; 1.4.3VHDL中使用的数据类型和运算操作 VHDL可以象其它高级语言一样定义数据类型,但还可以用户自己定义数据类型。 (1)信号、常量和变量 信号: 通常认为信号是电路中的一根线 常数: 可以在数字电路中代表电源、地线等等 变量: 可以代表某些数值 1.常数 常数的描述格式: CONSTANT常数名: 数据类型: =表达式 例: CONSTANTVcc: REAL: =5.0; CONSTANTDALY: TIME: =100ns; CONSTANTFBUS: BIT_VECTOR: =”0101”; 2.变量 变量只能在进程、函数和过程中使用,一旦赋值立即生效。 变量的描述格式: VARIABLE变量名: 数据类型约束条件: =表达式 例: VARIABLEx,y: INTEGER; VARIABLEcount: INTEGERRANGE0TO255: =10; 3.信号 信号除了没有方向的概念以外几乎和端口概念一致。 信号的描述格式: SIGNAL信号名: 数据类型约束条件: =表达式 例: SIGNALsys_clk: BIT: =’0’; SIGNALground: BIT: =’0’ 在程序中,信号值输入信号时采用代入符”<=”,而不是赋值符“: =”,同时信号可以附加延时。 信号传送语句: s1<=s2AFTER10ns 信号是一个全局量,可以用来进行进程之间的通信 4.信号与变量的区别 信号赋值可以有延迟时间,变量赋值无时间延迟 信号除当前值外还有许多相关值,如历史信息等,变量只有当前值 进程对信号敏感,对变量不敏感 信号可以是多个进程的全局信号,但变量只在定义它之后的顺序域可见 信号可以看作硬件的一根连线,但变量无此对应关系 1.4.4VHDL中的数据类型 (1)标准数据类型 1.整数(INTEGER) 范围: -2147483547---2147483646 2.实数(REAL) 范围: -1.0E38---1.0E38 书写时一定要有小数。 3.位(BIT) 在数字系统中,信号经常用位的值表示,位的值用带单引号的‘1’和‘0’来表示 明确说明位数值时: BIT‘(‘1’) 4.位矢量(BIT_VECTOR) 位矢量是用双引号括起来的一组位数据 “010101” 5.布尔量(BOOLEAN) 只有“真”和“假”两个状态,可以进行关系运算 6.字符(CHARACTER) 字符量通常用单引号括起来,对大小写敏感 明确说明1是字符时: CHARACTER‘(‘1’) 7.字符串(STRING) 字符串是双引号括起来的一串字符: “laksdklakld” 8.时间(TIME) 时间的单位: fs,ps,ns,ms,sec,min,hr 例: 10ns 整数数值和单位之间应有空格 9.错误等级(SEVERITYLEVEL) 用来表示系统的状态,它共有4种: NOTE(注意) WARNING(警告) ERROR(错误) FAILURE(失败) 10.大于等于零的整数(NATURAL)、正整数(POSITIVE) 只能是正整数 数据除定义类型外,有时还需要定义约束范围。 例: INTEGERRANGE 100DOWNTO0 BIT_VECTOR(3DOWNTO0) REALRANGE2.0TO30.0 (2)用户定义的数据类型 用户定义的数据类型的一般格式: TYPE数据类型名{,数据类型名}数据类型定义 不完整的数据类型格式: TYPE数据类型名{,数据类型名}; 可由用户定义的数据类型为: *枚举(ENUMERATED) 格式: TYPE数据类型名IS(元素、元素、…); 例1: TYPEweekIS(Sun,Mon,Tue,wed,Thu,Fri,Sat); 例2: TYPESTD_LOGICIS (‘U’,’X’,’0’,’1’,’Z’,’W’,’L’,’H’,’-‘); *整数(INTEGER) 格式: TYPE数据类型名IS数据类型定义约束范围 例: TYPEdigitISINTEGERRANGE0TO9 *实数(REAL) 格式: TYPE数据类型名IS数据类型定义约束范围 例: TYPEcurrentISREALRANGE-1E4TO1E4 *数组(ARRAY) 格式: TYPE数据类型名IS ARRAY范围OF原数据类型名; 例: TYPEwordISARRAY(1TO8)OFSTD_LOGIC; TYPEwordISARRAY(INTEGER1TO8)OFSTD_LOGIC; TYPEinstructionIS(ADD,SUB,INC,SRL,SRF,LDA,LDB); SUBTYPEdigitISINTEGER0TO9; TYPEindflagISARRAY(instructionADDTOSRF)OFdigit; 数组常在总线、ROM和RAM中使用。 *时间(TIME) 格式: TYPE 数据模型名不副实IS范围 UNITS基本单位 单位; ENDUNITS; TYPE timeRANGE–1E18TO1E18 UNITS fs; ps=1000fs; ns=1000ps; us=1000ns; ms=1000us; sec=1000ms; min=60sec; hr=60min; ENDUNITS; *记录(RECODE) 将不同的数据类型放在一块,就是记录类型数据 格式: TYPE数组类型名ISRECORD 元素名: 数据类型名; 元素名: 数据类型名; : : ENDR
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