EDA 技术实用教程.ppt

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1、数字电路与系统设计EDA实验,VHDL设计初步,主讲：任爱锋电子工程学院Email：,数字电路与系统设计EDA实验,内容安排：,电子工程学院必修课（）硬件描述语言(VHDL or VerilogHDL) （10学时）电子工程学院必修课及限选、校任选课（）EDA设计工具软件及实验 （10学时）SOPC及Nios II嵌入式系统设计 （10学时）综合设计实验 （10学时）,西安电子科技大学国家电工电子教学基地西电Altera EDA/SOPC联合实验室及培训中心（E楼II-401）,第1部分 VHDL设计初步,数字电路与系统设计EDA实验,VHDL历史回顾,VHDL 语言是美国国防部(DOD)在

2、20 世纪 80 年代初为实现其高速集成电路计划(VHSICVery High Speed Integrated Circuit)而提出的一种硬件描述语言(HDLHardware Description Language)，以作为各合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案，VHDL的含义为超高速集成电路硬件描述语言。1987年被采纳为IEEE 1076标准（VHDL87）。1993年被更新为IEEE 1164标准（VHDL93）。,VHDLVHSIC Hardware Description Language,HDL 的出现是为了适应电子系统设计的日益复杂性。若以计算机软件的设计与电路设计

3、做个类比：,机器码好比晶体管/MOS管；,汇编语言好比电路网表；,HDL语言就如同高级语言。,几种常用的HDL语言： （1）VHDL硬件描述语言：功能强，规范性好； （2）VerilogHDL硬件描述语言：功能强、灵活性高； （3）ABEL硬件描述语言：属于较低级的硬件描述语言； （4）AHDL硬件描述语言：Altera公司开发，语法简单，但不通用。 其中：VHDL和VerilogHDL已成为IEEE标准。,VHDLVHSIC Hardware Description Language,VHDL在语法和风格上类似于现代高级编程语言。但要注意，VHDL毕竟描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。

4、 HDL是用文字化方法描述电子电路与系统。,计算机语言描述特点是 ：顺序性,HDL语言描述的特点是：并行性,VHDLVHSIC Hardware Description Language,VHDL与计算机语言的区别,运行的基础 计算机语言是在CPURAM构建的平台上运行 VHDL设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路执行方式计算机语言基本上以串行的方式执行VHDL在总体上是以并行方式工作验证方式计算机语言主要关注于变量值的变化VHDL要实现严格的时序逻辑关系,数字电路与系统设计回顾,组合逻辑电路,时序逻辑电路,分析,设计,真值表,分析,设计,与、或、非与非、或非异或、同或,RS触发器D

5、触发器T触发器JK触发器,主要内容安排,1 多路选择器的VHDL描述,2 时序电路的VHDL描述,3 更复杂电路的VHDL描述,5 VHDL设计练习,4 有限状态机（状态转移图）设计,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1 2选1多路选择器的VHDL描述,2选1输入/输出端口（实体Entity）,电路功能实现（结构体Architecture）,?,例1.1 2选1多路选择器的实体描述,1 多路选择器的VHDL描述,说明：以关键字ENTITY引导，以END (ENTITY) xxx结尾的语句部分，称为实体。描述电路的外部情况及接口性质。,ENTITY mux21 IS PORT ( a, b :

6、 IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT );END ENTITY mux21;ARCHITECTURE one OF mux21 IS BEGIN y = a WHEN s = 0 ELSE b ;END ARCHITECTURE one ;,例1.1 2选1多路选择器的结构体描述1 (行为描述),说明：以关键字ARCHITECTURE引导，以END (ARCHITECTURE) xxx结尾的语句部分，称为结构体。描述电路的内部逻辑功能或电路结构。,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1 2选1多路选择器的结构体描述2 (原理图描述),1 多路选择器的VHDL描述,例

7、1.1 2选1多路选择器的结构体描述3 (布尔方程描述),1 多路选择器的VHDL描述,说明：以上三种结构体描述都是并行语句,例1.1 2选1多路选择器的结构体描述4 (进程描述),1 多路选择器的VHDL描述, ARCHITECTURE one OF mux21 ISBEGIN PROCESS (a,b,s) BEGIN IF s = 0 THEN y = a ; ELSE y = b ; END IF; END PROCESS;END ARCHITECTURE one ;,-a,b,s 为敏感信号表,2选1多路选择器功能时序波形,例1.1 2选1多路选择器的EDA软件仿真结果,1 多路选择

8、器的VHDL描述,1.1 实体表达（ENTITY）,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1VHDL描述中出现的相关语句结构和语法说明,ENTITY 实体名 IS GENERIC （类属表）； PORT （端口表）；END ENTITY 实体名；,实体在电路中主要是说明该电路的输入、输出关系，更具体地说就是用来定义实体与外部的连接关系以及需传送给实体的参数。,ENTITY 实体名 IS GENERIC （类属表）； PORT （端口表）；END ENTITY 实体名；,（1）类属表：用以将信息参数传递到实体。（2）端口表：指明实体的输入、输出信号及其模式、数据类型。,PORT (端口名：端口模式

9、 数据类型； 端口名：端口模式 数据类型 )；,英文字母+数字,数据流动方向,主要有“位”和“位矢量”两类,设计者自己命名的名称（文件名）,注意简单地说 In 不可以出现在赋值符号(= 或:=)的左边 out不可以出现在赋值符号(= 或:=)的右边 buffer可以出现在赋值符号(= 或:=)的两边,In 信号只能被引用,不能被赋值out 信号只能被赋值,不能被引用buffer 信号可以被引用,也可以被赋值,例：,VHDL中任何一种数据对象（信号、变量、常数）必须严格限定其取值范围。 VHDL 中一个对象只能有一种类型，施加于该对象的操作必须与该类型相匹配。 常用数据类型有：BIT，BIT_V

10、ECTOR，STD_LOGIC，STD_LOGIC_VECTOR，INTEGER，BOOLEAN等,1.2 结构体表达（ARCHITECTURE）,1 多路选择器的VHDL描述,ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 定义语句 内部信号，常数，数据类型，函数等定义；BEGIN 功能描述语句；END ARCHITECTURE 结构体名；,以关键字ARCHITECTURE引导，以END (ARCHITECTURE) xxx结尾的语句部分，称为结构体。描述电路的内部逻辑功能或电路结构。,结构体名称的命令：它是该结构体的唯一名称。“OF”后面紧跟的实体名表明了该结构体所对应的是哪一个实

11、体。用 “IS”来结束结构体的命名。,ARCHITECTURE 结构体名 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 功能描述语句；END ARCHITECTURE 结构体名；,定义语句：位于“ARCHITECTURE”和“BEGIN”之间。用于对结构体内部所使用的信号常数、数据类型和函数等进行定义。如：,ARCHITECTURE 结构体名 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 功能描述语句；END ARCHITECTURE 结构体名；,SIGNALcont：STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0)；

12、SIGNALco_1：STD_LOGIC；CONSTANTm:TIME:=2ns；TYPESTATEIS(INIT，DAD，ADC，SRF，FRF)；,功能描述语句：处于“BEGIN”和“END”之间。具体描述了结构体的行为及其连接关系。,ARCHITECTURE 结构体名 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 功能描述语句；END ARCHITECTURE 结构体名；,结构体功能可以用三种方式进行描述，即： 行为描述、数据流描述、结构描述。,.结构体的行为描述（behavioral） 结构体的行为描述表示输入与输出间转换的关系，是对设计实体按算法的

13、路径来描述。行为描述在 EDA 工程中称为高层次描述或高级描述。,看例题！,例：如图所示的半加器，其功能真值表已经给出，写出它的行为描述。,半加器真值表：,（ENTITY部分省略） ARCHITECTURE alg_ha OF half_adder IS BEGIN PROCESS (a , b) BEGIN IF a=0 AND b=0 THEN c=0 ; s=0 ELSIF a=1 AND b=1 THEN c=1 ; s=0; ELSE c=0 ; s=1; END IF; END PROCESS; END alg_ha;,高层次的功能描述，不必考虑在电路中到底是怎样实现的。,.结构体

14、的数据流描述（dataflow） 它反映了从输入数据到输出数据之间所发生的逻辑变换，或者说描述了数据流程的运动路径、运动方向和运动结果。.结构体的结构化描述（structural） 结构化描述给出了实体内部结构、所包含的模块或元件间互连关系；与实体外部引线的对应关系。,练习： 试用上面的两种方法描述半加器的功能。,结构体中三种描述方式的比较,布尔函数定义明白,连接关系清晰，电路模块化清晰,优 点,小门数设计,不易描述复杂电路，修改不易,数据流描述,电路层次化设计,电路不易理解、繁琐、复杂,结构化描述,适用场合,缺 点,描述方式,电路特性清楚明了,大型复杂的电路模块设计,进行综合效率相对较低,行

15、为描述,信号赋值符 “=”,表式中的等号“=”没有赋值的含义，只是一种数据比较符号。,1.3 赋值符号和数据比较符号,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1VHDL描述中出现的相关语句结构和语法说明,1.4 逻辑操作符,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1VHDL描述中出现的相关语句结构和语法说明,VHDL共有7种基本逻辑操作符： AND(与)、OR(或)、NOT(取反）、NAND (与非)、 NOR(或非)、XOR(异或)、XNOR(同或),要求数据类型： BIT BOOLEAN STD_LOGIC,ARCHITECTURE one OF mux21 IS BEGIN y = a WHEN

16、 s = 0 ELSE b ;END ARCHITECTURE one ;,1.5 WHEN_ELSE条件信号赋值语句,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1VHDL描述中出现的相关语句结构和语法说明,赋值目标 = 表达式 WHEN 赋值条件 ELSE 表达式 WHEN 赋值条件 ELSE 表达式 ；,在VHDL中，所有的顺序语句，如“IF_THEN_ELSE_END IF”，都必须放在由“PROCESSEND PROCESS”引导的进程结构中。 在一个结构体（ARCHITECTURE）中可以包含任意个进程语句，所有的进程语句都是并行语句，而进程PROCESS引导的内部语句结构属于顺序语句。,

17、1.4 进程语句和顺序语句,1 多路选择器的VHDL描述,例1.1VHDL描述中出现的相关语句结构和语法说明,1 小结,在2选1的VHDL描述中出现的语言现象归纳：,实体： Entity结构体：Architecture端口定义： Port( )端口模式：In/Out/Inout数据类型：Bit、Std_Logic信号赋值符：=条件比较符：=逻辑操作符：AND,IF条件语句：IFEND IF并行条件语句：WHENELSE进程语句：ProcessEnd Process顺序语句：由进程语句引导并行语句：简单赋值语句 when.else语句 select语句,2 时序电路的VHDL描述,例2.1 D触

18、发器的VHDL描述,最简单、最具有代表性的时序电路是D触发器。对D触发器的描述包含了VHDL对时序电路的最基本和典型的表达方式，也包含了VHDL中许多最具特色的语言现象。,（实体Entity）,电路功能描述（结构体Architecture）,?,LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DFF1 IS - 端口声明 PORT (CLK, D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC );END ENTITY DFF1;ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS -结构体描述 SIGNAL Q1

19、: STD_LOGIC ; -类似于在芯片内部定义一个数据的暂存节点BEGIN PROCESS (CLK) - 进程 BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = D ; END IF; END PROCESS ; Q = Q1 ; -将内部的暂存数据向端口输出（双横线-是注释符号）END ARCHITECTURE bhv;,例2.1 D触发器的VHDL描述,VHDL电路描述与设计平台和硬件实现对象 (组合或时序逻辑) 无关。,例2.1中D触发器的VHDL描述的语言现象说明,2.1 完整VHDL程序基本构成,库(Library)和程序包(Package),程序

20、包：定义了一组数据类型说明、常量说明、元件说明和子程序说明。以供其它多个设计实体引用。,库：是专门存放预先编译好的程序包的地方，这样它们就可以在其它设计中被调用。,库/程序包就是为了使一组类型说明，常量说明和子程序说明对多个设计实体都成为可见的而提供的一种结构。它们如同C语言中的*.h文件，定义了一些类型说明，函数一样。,例如： LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL； IEEE是IEEE标准库的标志名，两个USE语句使得以下设计可使用程序包std_logic_1164, std_lo

21、gic_unsigned中所有预定义的内容，如std_logic，in，out的定义等。,格式： LIBRARY ; USE .ALL;,库(Library)和程序包(Package),常用标准库std和ieee库中的程序包,库(Library)和程序包(Package),BIT数据类型定义： TYPE BIT IS(0,1); 即BIT数据类型仅可取值0或1；,STD_LOGIC数据类型定义： TYPE STD_LOGIC IS (U,X,0,1,Z,W,L,H,-); 工业标准逻辑类型，取值U,X,0,1,Z, W, L, H和-,2.2 标准逻辑位数据类型STD_LOGIC,ENTITY

22、 DFF1 IS - 端口声明 PORT (CLK, D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC );END ENTITY DFF1;,ENTITY mux21 IS PORT (a, b, : IN BIT ; S : IN BIT ; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21 ;,ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1：STD_LOGIC；BEGIN,2.3 信号定义和数据对象,信号（Signal）：,信号的使用和定义范围是实体、结构体和程序包，在进程和子程序的顺序语句中不允许定义信号。（只有信号才能把

23、进程外的信息带入进程内部，或将进程内的信息带出进程）,SIGNAL 信号名: 数据类型 := 初始值;,信号赋值语句：目标信号名=表达式;,VARIABLE 变量名: 数据类型 :=初始值;,变量赋值语句： 目标变量名:=表达式;,ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1：STD_LOGIC；BEGIN,2.3 信号定义和数据对象,变量（Variable）：,在VHDL中，变量是一个局部量，作为临时的数据存储单元，只能在进程和子程序的顺序语句中使用。变量定义中的初始值仅对仿真有效，实际的综合器并不支持设置初始值。,CONSTANT 常量名: 数据类型:= 表达

24、式;,ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1：STD_LOGIC；BEGIN,2.3 信号定义和数据对象,常量（Constant）：,常量的定义主要是为了程序更容易阅读和修改。在所有的VHDL结构中都可以定义常量，如实体、结构体、程序包、进程和子程序等。常量是一个恒定不变的值。,EVENT,2.4 上升沿检测表式和信号属性函数EVENT,PROCESS (CLK) - 进程 BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = D ; END IF; END PROCESS ;,边沿检测语句,用信号属性函数EVENT来测定某信号的跳

25、变边沿，即,2.5 不完整条件语句与时序电路,LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DFF1 IS - DFF 端口声明 PORT (CLK, D : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC );END ENTITY DFF1;ARCHITECTURE bhv OF DFF1 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC ; BEGIN PROCESS (CLK) - 进程 BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = D ; END IF; END PROCESS

26、; Q = Q1 ; END ARCHITECTURE bhv;,IF语句中没有利用ELSE明确指出当IF语句不满足条件时如何操作，即不完整条件语句。,IF语句表示：,完整的条件语句只能构成组合逻辑电路。,IF语句表示：,2.5 不完整条件语句与时序电路,2.5 不完整条件语句与时序电路,例a：,2.5 不完整条件语句与时序电路,例b：,2.6 实现时序电路的VHDL不同表述,CLK信号定义为STD_LOGIC数据类型，有9种取值，该描述并不能保证CLK是从“0”到“1”的上升沿跳变。,.PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND (CLK=1) AND (CLKL

27、AST_VALUE=0) THEN Q = D ; -确保CLK的变化是一次上升沿的跳变 END IF; END PROCESS ;,.PROCESS (CLK)BEGIN - 同上 IF CLK=1 AND CLKLAST_VALUE=0 THEN Q = D ; END IF; END PROCESS ;,2.6 实现时序电路的VHDL不同表述,CLKLAST_VALUE=0为真，表示CLK在变化之前时刻为0。,LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ;ENTITY DFF3 IS PORT (CLK，D : IN STD_LOGIC ; Q :

28、 OUT STD_LOGIC ); END ; ARCHITECTURE bhv OF DFF3 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC; BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF rising_edge(CLK) THEN Q1 = D ; END IF; END PROCESS ; Q = Q1 ; END ;,Rising_edge( )是IEEE库中STD_LOGIC_1164标准程序包内预定义的函数，该函数只能用于标准逻辑位数据类型STD_LOGIC的信号。因此，在实体前必须打开STD_LOGIC_1164程序包。,.PROCESS BEGIN wait u

29、ntil CLK = 1 ; Q = D ;END PROCESS;,当进程中使用wait语句后，就不必列出敏感信号表。,2.6 实现时序电路的VHDL不同表述,.PROCESS (CLK)BEGIN IF CLK = 1 THEN Q = D ; END IF; END PROCESS ;,将CLK放入敏感信号表中，CLK边沿的检测由PROCESS和IF语句结合实现。注：D信号并没有在敏感表中。,上升沿触发DFF的仿真波形：,2.6 实现时序电路的VHDL不同表述,.PROCESS (CLK，D) BEGIN IF CLK = 1 THEN Q = D ; END IF; END PROCE

30、SS ;,电平触发DFF，即在CLK为高电平1时，输出Q随D的变化而变化，而CLK为0时输出保持不变。 注：D信号在敏感表中。,电平触发DFF的仿真波形：,2.6 实现时序电路的VHDL不同表述,2 小结,VHDL 库：Library语句，包括IEEE库、标准库STD、工作库Work等；程 序 包：USE语句，如Std_logic_1164程序包、Standard程序包等；数据类型：Std_logic，定义值中包括0、1、Z和X；数据对象：信号Signal、变量Variable、常量Constant；信号属性：信号属性函数EVENT、LAST_VALUE；时钟检测：上升沿检测Clkevent

31、AND Clk=1、Rising_edge( )。时序电路：不完整条件语句产生时序电路。,3 更复杂电路的VHDL描述,时序电路中，一般计数器的输入/输出信号包括：,？,Entity,Architecture,电路设计,3.1 计数器的VHDL描述,ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN BIT ; Q : BUFFER INTEGER range 15 downto 0 ) ; END CNT4; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q =

32、Q + 1 ; END IF; END PROCESS ;END bhv;,【例1】: 4位二进制加法计数器,注意：(1) Q的端口模式为BUFFER； (2) Q的数据类型为INTEGER。,注意,?,ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN BIT ; Q : BUFFER INTEGER range 15 downto 0 ) ; END CNT4; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q = Q + 1 ; -如何理解？ END IF;

33、END PROCESS ;END bhv;,【例1】: 4位二进制加法计数器,注意,注意：在使用整数时，VHDL综合器要求必须使用“Range”限定范围，否则无法综合。,VHDL中规定，算术操作符“+”、“-”的数据类型（除特殊说明，如重载函数）只能是整形“INTEGER”。,整数的表达不加引号，而逻辑位的数据必须加引号，如1、0、“101”。,整数（Integer）类型,VHDL中整数常量的书写方式：,3.2 计数器设计的其他表述方法,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ;

34、- 运算符重载ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ENTITY CNT4; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = Q1 + 1 ; -“+” 运算符重载 END IF; END PROCESS ; Q = Q1 ;END ARCHITECT

35、URE bhv;,3.2 计数器设计的其他表述方法,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; - 运算符重载ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ENTITY CNT4; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS (CLK

36、) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = Q1 + 1 ; -“+” 运算符重载 END IF; END PROCESS ; Q = Q1 ;END ARCHITECTURE bhv;,3.2 计数器设计的其他表述方法,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; - 运算符重载ENTITY CNT4 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ;

37、 END ENTITY CNT4; ARCHITECTURE bhv OF CNT4 IS SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q1 = Q1 + 1 ; -“+” 运算符重载 END IF; END PROCESS ; Q 0); -计数器复位（高有效） ELSIF (clkEVENT AND clk = 1) THEN -检测时钟上升沿 IF (en=1) THEN -检测是否允许计数（不完全条件语句） IF cqi 0); -计数状态=9，下一状态清零 END IF; END IF; END IF; IF cqi = 9 THEN co = 1; -计数状态=9，输出进位信号 ELSE co =0; END IF; qcnt = cqi; -将计数值输出到端口 END PROCESS;END behave;,