分析与设计数字电路的工具.ppt

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1、数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 第二章第二章 分析与设计数字电路的工具分析与设计数字电路的工具2.2卡诺图化简法卡诺图化简法2.3VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础2.1逻辑代数逻辑代数数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 引 言 设计一个数字电路或数字系统，就像做一个建筑工程，它设计一个数字电路或数字系统，就像做一个建筑工程，它不仅需要砖瓦、预制件等这些建筑材料，还需要有效的工具不仅需要砖瓦、预制件等这些建筑材料，还需要有效的工具和合理的工艺。本章介绍的是分析与设计数字电路的工具。和合理的工艺。本章介

2、绍的是分析与设计数字电路的工具。首先介绍一种数学工具首先介绍一种数学工具逻辑代数和卡诺图。它的作用是化逻辑代数和卡诺图。它的作用是化简和转换逻辑函数，以方便数字电路的分析和设计。然后介简和转换逻辑函数，以方便数字电路的分析和设计。然后介绍一种硬件描述语言工具绍一种硬件描述语言工具VHDL。用它和可编程逻辑器件。用它和可编程逻辑器件及电子设计自动化（及电子设计自动化（EDA）软件配合，可设计出功能更强大）软件配合，可设计出功能更强大的数字电路。对于工具的学习，我们要先熟悉它，掌握使用的数字电路。对于工具的学习，我们要先熟悉它，掌握使用它的基本要领，然后在以后的章节中通过反复的使用，不断它的基本要

3、领，然后在以后的章节中通过反复的使用，不断的练习，逐步达到熟练掌握、得心应手的境地。的练习，逐步达到熟练掌握、得心应手的境地。数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出2.1 逻辑代数一、逻辑代数的基本公式一、逻辑代数的基本公式吸收律吸收律反演律反演律分配律分配律结合律结合律交换律交换律重叠律重叠律互补律互补律公公 式式 101律律对合律对合律名名 称称 公公 式式 2基基 本本 公公 式式 逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出公式的证明方法：（1 1）用简单的公式证明略为复杂的公式。）用简单的公式证明

4、略为复杂的公式。例例2.1.12.1.1 证明吸收律证明吸收律 证：证：A B0 00 11 01 1例例2.1.22.1.2 用真值表证明反演律用真值表证明反演律11101110（2 2）用真值表证明，即检验等式两边函数的真值表是否一致。）用真值表证明，即检验等式两边函数的真值表是否一致。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出二、逻辑代数的基本规则二、逻辑代数的基本规则1.1.代入规则代入规则 对于任何一个逻辑等式，以某个逻辑变量或逻辑函数同时取代对于任何一个逻辑等式，以某个逻辑变量或逻辑函数同时取代等式两端任何一个逻辑变量后，等式依然

5、成立。等式两端任何一个逻辑变量后，等式依然成立。例如，在反演律中用例如，在反演律中用BCBC去代替等式中的去代替等式中的B B，则新的等式仍成立：，则新的等式仍成立：2.2.对偶规则对偶规则 将一个逻辑函数将一个逻辑函数L L进行下列变换：进行下列变换：，0 1 0 1，1 01 0所得新函数表达式叫做所得新函数表达式叫做L L的的对偶式对偶式，用，用 表示。表示。对对偶偶规规则则的的基基本本内内容容是是：如如果果两两个个逻逻辑辑函函数数表表达达式式相相等等，那那么么它它们们的对偶式也一定相等。的对偶式也一定相等。基本公式中的公式基本公式中的公式l l和公式和公式2 2就互为对偶就互为对偶 式

6、。式。吸收律吸收律反演律反演律分配律分配律结合律结合律交换律交换律重叠律重叠律互补律互补律公式公式1 10101律律对合律对合律名称名称公式公式2 2 逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出3.反演规则反演规则 利用反演规则，可以非常方便地求得一个函数的反函数利用反演规则，可以非常方便地求得一个函数的反函数 解：解：解：解：将一个逻辑函数将一个逻辑函数L进行下列变换：进行下列变换：，；0 1，1 0；原变量原变量 反变量，反变量，反变量反变量 原变量。原变量。所得新函数表达式叫做所得新函数表达式叫做L的的反函数反函数，用，用 表示。表示。

7、例例2.1.3 求函数求函数 的反函数：的反函数：例例3.1.4 求函数求函数 的反函数：的反函数：在应用反演规则求反函数时要注意以下两点：在应用反演规则求反函数时要注意以下两点：（1）保持运算的优先顺序不变，必要时加括号表明，如例。）保持运算的优先顺序不变，必要时加括号表明，如例。（2）变换中，几个变量（一个以上）的公共非号保持不变。如例。）变换中，几个变量（一个以上）的公共非号保持不变。如例。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出三、逻辑函数的代数化简法1 1逻辑函数式的常见形式逻辑函数式的常见形式一个逻辑函数的表达式不是唯一的，可以

8、有多种形式，并且能互相转换。一个逻辑函数的表达式不是唯一的，可以有多种形式，并且能互相转换。例如：例如：与与或表达或表达式式或或与表达与表达式式与非与非与非表达式与非表达式或非或非或非表达式或非表达式与与或或非表达式非表达式其中，与其中，与或表达式是逻辑函数的最基本表达形式。或表达式是逻辑函数的最基本表达形式。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出2 2逻辑函数的最简逻辑函数的最简“与与或表达式或表达式”的标准的标准 3 3用代数法化简逻辑函数用代数法化简逻辑函数（1 1）并项法：）并项法：运用公式运用公式 将两项合并为一项，消去一个变量

9、。将两项合并为一项，消去一个变量。例：例：（1 1）与项最少，即表达式中）与项最少，即表达式中“+”“+”号最少。号最少。（2 2）每个与项中的变量数最少，即表达式中）每个与项中的变量数最少，即表达式中“”“”号最少。号最少。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出（2 2）吸收法：）吸收法：（3 3）消去法：）消去法：运用吸收律运用吸收律 A+AB=A，消去多余的与项。消去多余的与项。例：例：例：例：运用吸收律运用吸收律 消去多余因子。消去多余因子。先先通通过过乘乘以以 或或加加上上 ,增增加加必必要要的的乘乘积积项项，再用以上方法化简。

10、再用以上方法化简。例：例：（4 4）配项法：）配项法：逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出例例 化简逻辑函数：化简逻辑函数：解：解：（利用（利用 ）（利用（利用A+AB=A）（利用（利用 ）在化简逻辑函数时，要灵活运用上述方法，才能将逻辑函数在化简逻辑函数时，要灵活运用上述方法，才能将逻辑函数化为最简。化为最简。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出例例2.1.7 2.1.7 化简逻辑函数：化简逻辑函数：解：解：（利用反演律（利用反演律）（利用（利用 ）（利用（利用A+AB=A）（

11、配项法）（配项法）（利用（利用A+AB=A）（利用（利用 ）逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出代数化简法的优点：代数化简法的优点：不受变量数目的限制。不受变量数目的限制。缺点：缺点：没没有有固固定定的的步步骤骤可可循循；需需要要熟熟练练运运用用各各种种公公式式和和定定理理；需需要要一一定定的的技技巧巧和和经经验验；不不易易判判定化简结果是否最简。定化简结果是否最简。逻辑代数逻辑代数 数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 卡诺图化简法卡诺图化简法 A B C0 0 00 0 10 1 00 1 1

12、1 0 01 0 11 1 01 1 1变变 量量 取取 值值最最 小小 项项m0m1m2m3m4m5m6m7编编 号号三变量函数的最小项三变量函数的最小项一、一、最小项与最小项表达式最小项与最小项表达式 1.1.最小项最小项n个变量的逻辑函数中，包含全部变量的乘积项称为最个变量的逻辑函数中，包含全部变量的乘积项称为最小项。小项。n变量逻辑函数的全部最小项共有变量逻辑函数的全部最小项共有2n个。个。数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出最小项的基本性质最小项的基本性质100000001 1 1010000001 1 0001000001 0 1000100

13、001 0 0000010000 1 1000001000 1 0000000100 0 1000000010 0 0A B Cm7m6m5m4m3m2m1m0变量（1 1）对于任意一个最小项，只有与之对应的一组变量取值使它的值为）对于任意一个最小项，只有与之对应的一组变量取值使它的值为1 1，而其余各组变量取值均使它的值为而其余各组变量取值均使它的值为0 0。两变量：两变量：（2 2）对于变量的任一组取值，全体最小项的和为）对于变量的任一组取值，全体最小项的和为1 1。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出最小项表

14、达式最小项表达式与或式中的每一个与项均为最小项。与或式中的每一个与项均为最小项。任一逻辑函数可以展开为最小项表达式。任一逻辑函数可以展开为最小项表达式。例：例：2.逻辑函数的最小项表达式逻辑函数的最小项表达式2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 解：解：=m7+m6+m3+m5=m（3,5,6,7）例例2：将函数将函数 转换成最小项表达式。转换成最小项表达式。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出二、卡诺图及其逻辑函数的卡诺图表示法二、卡

15、诺图及其逻辑函数的卡诺图表示法 1相邻最小项相邻最小项 如果两个最小项中只有一个变量互为反变量，其余变量均相同，则如果两个最小项中只有一个变量互为反变量，其余变量均相同，则称这两个最小项为逻辑相邻，简称称这两个最小项为逻辑相邻，简称相邻项相邻项。如果两个相邻最小项出现在同一个逻辑函数中，可以合并为一项，同如果两个相邻最小项出现在同一个逻辑函数中，可以合并为一项，同时消去互为反变量的那个量。时消去互为反变量的那个量。如最小项如最小项ABC 和和 就是相邻最小项。就是相邻最小项。如：如：2.2.卡诺图卡诺图 一一个个小小方方格格代代表表一一个个最最小小项项，然然后后将将这这些些最最小小项项按按照照

16、相相邻邻性性排排列列起起来来。即即用用小小方方格格几几何何位位置置上上的的相相邻邻性性来来表表示示最最小小项项逻辑上的相邻性。逻辑上的相邻性。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出卡诺图的结构卡诺图的结构（1 1）二变量卡诺图）二变量卡诺图 A Bm0m1m3m2 AB 00 01 11 10m0m1m3m2m4m5m7m6 A B Cm0m1m3m2m4m5m7m6 BC 00 01 11 10 A 01（2 2）三变量卡诺图）三变量卡诺图2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一

17、页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出m0m1m3m2m4m5m7m6m12m13m15m14m8m9m11m10 C DAB CD 00 01 11 10 AB 00 01 11 10卡卡诺诺图图具具有有很很强强的的相相邻性：邻性：（1 1）直直观观相相邻邻性性，只只要要小小方方格格在在几几何何位位置置上上相相邻邻（不不管管上上下下左左右右），它它代代表表的的最最小小项项在在逻逻辑辑上上一一定定是是相相邻的。邻的。（2 2）对对边边相相邻邻性性，即即与与中中心心轴轴对对称称的的左左右右两两边边和和上上下下两两边边的的小小方格也具有相邻性。方格也具有相邻性。（3 3）四变量卡诺图）四变量卡诺

18、图2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出3.3.用卡诺图表示逻辑函数用卡诺图表示逻辑函数解解：该该函函数数为为三三变变量量，先先画画出出三三变变量量卡卡诺诺图图，然然后后根根据据真真值值表表将将8 8个个最小项最小项L L的取值的取值0 0或者或者1 1填入卡诺图中对应的填入卡诺图中对应的8 8个小方格中即可。个小方格中即可。0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1A B C00010111L 真值表真值表ABC0000111110 A B C11110000（1 1）从真值表

19、到卡诺图）从真值表到卡诺图例例 已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图表示该逻辑函数。已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图表示该逻辑函数。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出（2 2）从逻辑表达式到卡诺图）从逻辑表达式到卡诺图（a a）如果表达式为最小项表达式，则可直接填入卡诺图。）如果表达式为最小项表达式，则可直接填入卡诺图。解：解：写成简化形式：写成简化形式：解：解：直接填入：直接填入：例例2.2.42.2.4 用卡诺图表示逻辑函数用卡诺图表示逻辑函数:然后填入卡诺图：然后填入卡诺图：例例2.2.52.2.5 用卡诺图表

20、示逻辑函数：用卡诺图表示逻辑函数：C D A B GF F BCBC 0000 0101 1111 1010 A A 0 01 11 11 11 11 10 00 00 00 01 11 11 11 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0（b b）如如不不是是最最小小项项表表达达式式，应应先先将将其其先先化化成成最最小小项项表表达达式式，再再填填入入卡卡诺诺图图。也也可可由由“与与或或”表达式直接填入。表达式直接填入。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出三、卡诺图化简法三、卡诺图

21、化简法（2 2）4 4个相邻的最小项可以合并，消去个相邻的最小项可以合并，消去2 2个取值不同的变量。个取值不同的变量。C A B D1111111 C A B D111111111 1卡诺图化简逻辑函数的原理卡诺图化简逻辑函数的原理:（1 1）2 2个相邻的最小项可以合并，消去个相邻的最小项可以合并，消去1 1个取值不同的变量。个取值不同的变量。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出（3 3）8 8个相邻的最小项可以合并，消去个相邻的最小项可以合并，消去3 3个取值不同的变量。个取值不同的变量。总总之之，2 2n

22、n个个相相邻邻的的最最小小项项可可以以合合并并，消消去去n n个个取取值值不不同同的的变变量。量。C A B D1111111111112.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出2用卡诺图合并最小项的原则（画圈的原则）（1）卡诺图中所有取值为）卡诺图中所有取值为1的方格均要被圈过，即不能漏下取值为的方格均要被圈过，即不能漏下取值为1的最小项。的最小项。（2）尽量画大圈，但每个圈内只能含有）尽量画大圈，但每个圈内只能含有2n（n=0,1,2,3）个相邻项。要特别注意）个相邻项。要特别注意对边相邻性和四角相邻性。对边相邻性和

23、四角相邻性。（3）圈的个数尽量少。）圈的个数尽量少。（4）在新画的包围圈中至少要含有）在新画的包围圈中至少要含有1个末被圈过的个末被圈过的1方格，否则该包围圈是多余的。方格，否则该包围圈是多余的。3 3用卡诺图化简逻辑函数的步骤：用卡诺图化简逻辑函数的步骤：（1 1）画出逻辑函数的卡诺图。）画出逻辑函数的卡诺图。（2 2）合并相邻的最小项，即根据前述原则画圈。）合并相邻的最小项，即根据前述原则画圈。（3 3）写写出出化化简简后后的的表表达达式式。每每一一个个圈圈写写一一个个最最简简与与项项，规规则则是是，取取值值为为l l的的变变量量用用原原变变量量表表示示，取取值值为为0 0的的变变量量用用

24、反反变变量量表表示示，将将这这些些变变量量相相与与。然然后后将将所所有有与与项项进进行逻辑加，即得最简与行逻辑加，即得最简与或表达式。或表达式。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出解解:（1 1）由表达式画出卡诺图。）由表达式画出卡诺图。（2 2）画包围圈，合）画包围圈，合并最小项，得简化的并最小项，得简化的与与或表达式或表达式:C A B D1111111111100000例例 化简逻辑函数：化简逻辑函数：L（A,B,C,D）=m（0,2,3,4,6,7,10,11,13,14,15）2.2 2.2 卡诺图化简法

25、卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出解解：（1 1）由表达式画出卡诺图。）由表达式画出卡诺图。注意：图中的绿色圈注意：图中的绿色圈是多余的，应去掉是多余的，应去掉 。例例 用卡诺图化简逻辑函数：用卡诺图化简逻辑函数：（2 2）画包围圈合并最小项，）画包围圈合并最小项，得简化的与得简化的与或表达式或表达式:C A B D11111111000000002.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出解：解：（1 1）由真值表画出卡诺图。）由真值表画出卡诺图。由此可见，一个逻辑函

26、数的真值表是唯一的，卡诺图也是唯一的，但由此可见，一个逻辑函数的真值表是唯一的，卡诺图也是唯一的，但化简结果有时不是唯一的。化简结果有时不是唯一的。（a）：写出）：写出表达式：表达式：（b b）：写出表达式：）：写出表达式：0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1A B C01111110 L 真值表真值表10110111 A B C L10110111 A B C L例例 已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图化简该函数。已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图化简该函数。（2 2）画包围圈合并最小项。）画包围圈合并最小项。有两种画圈的方法：有两种画圈的方法：2.2

27、 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法4 4卡诺图化简逻辑函数的另一种方法卡诺图化简逻辑函数的另一种方法圈圈0 0法法（2 2）用圈）用圈0 0法，得：法，得：解解：（1 1）用圈）用圈1 1法，得：法，得：对对L L取非得：取非得：C A B D1101111011111111 C A B D1101111011111111例例 已知逻辑函数的卡诺图如图示，分别用已知逻辑函数的卡诺图如图示，分别用“圈圈1 1法法”和和“圈圈0 0法法”写出其最简与写出其最简与或式。或式。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法1 1无无关关项项在在有有些些逻逻辑辑函函数数

28、中中，输输入入变变量量的的某某些些取取值值组组合合不不会会出出现现，或或者者一一旦旦出出现现，逻逻辑辑值值可可以以是是任任意意的的。这这样样的的取取值值组组合合所所对对应应的的最最小小项项称称为为无关项、任意项或约束项。无关项、任意项或约束项。例例：在在十十字字路路口口有有红红绿绿黄黄三三色色交交通通信信号号灯灯，规规定定红红灯灯亮亮停停，绿绿灯灯亮亮行行，黄黄灯亮等一等，试分析车行与三色信号灯之间逻辑关系。灯亮等一等，试分析车行与三色信号灯之间逻辑关系。四、具有无关项的逻辑函数的化简四、具有无关项的逻辑函数的化简解：解：设红、绿、黄灯分别用设红、绿、黄灯分别用A、B、C表示，且灯亮为表示，且

29、灯亮为1，灯灭为，灯灭为0。车用车用L表示，车行表示，车行L=1，车停，车停L=0。列出该函数的真值。列出该函数的真值。显而易见，在这个函数中，有显而易见，在这个函数中，有5 5个最小项为无关项。个最小项为无关项。带有无关项的逻辑函数的最小项表达式为：带有无关项的逻辑函数的最小项表达式为：L=m（）+d（）如本例函数可写成如本例函数可写成:L=m（2）+d（0,3,5,6,7）0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1红灯红灯A 绿灯绿灯B 黄灯黄灯C010 车车L 真值表真值表数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出2

30、 2具有无关项的逻辑函数的化简具有无关项的逻辑函数的化简考考虑虑无无关关项项时时，表表达达式式为为:例：例：010ABC0000111110 A B C010ABC0000111110 A B C不考虑无关项时，表达式为：不考虑无关项时，表达式为：要充分利用无关项可以当要充分利用无关项可以当0 0也可以当也可以当1 1的特点，尽量扩大卡的特点，尽量扩大卡诺圈，使逻辑函数更简。诺圈，使逻辑函数更简。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出如果不考虑无关项，写出表达式为：如果不考虑无关项，写出表达式为：C A B D111

31、1110000 C A B D1111110000（3 3）写写出出逻逻辑辑函函数数的的最最简简与与或或表表达达式式:（2 2）合合并并最最小小项项。注注意意，1 1方方格格不不能能漏漏。方方格格根根据据需需要要，可可以以圈圈入入，也可以放弃。也可以放弃。例：例：用卡诺图法化简逻辑函数用卡诺图法化简逻辑函数（输入是（输入是8421BCD8421BCD码）码）L（A A,B B,C,D）=m（1,4,5,6,7,91,4,5,6,7,9）+d（10,11,12,13,14,1510,11,12,13,14,15）解：解：（1 1）填卡诺图。）填卡诺图。2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法数字

32、电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础 VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language)是目前最流行的硬件描述语言是目前最流行的硬件描述语言之一。它诞生于之一。它诞生于1982年，已成为年，已成为IEEEStd_1076标准。许多公司标准。许多公司的的EDA设计工具都提供了对设计工具都提供了对VHDL的支持，因此它得到了广泛的支持，因此它得到了广泛的应用。的应用。VHDL有以下几个主要特点：有以下几个主要特点：（1）具有很强

33、的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模）具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。（2 2）编程与工艺无关。设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对）编程与工艺无关。设计者可以专心致力于其功能的实现，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。不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。（3 3）语言标准、规范，易于共享。设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。）语言标准、规范，易于共享。设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。数

34、字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出一、VHDL的基本结构 定义元器件库定义元器件库定义电路的输入定义电路的输入/输出引脚输出引脚描述电路的内部描述电路的内部功能功能 VHDL描述的最小和基本的逻辑结构中一般包含标准库及程序包、实体和结构体三部分。2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出举例：用VHDL语言描述一半加器的功能。逻辑表达式是：VHDL程序如下：程序如下：LIBRARY ieee；-ieee标准库说明 USE ieee.std_logic_116

35、4.ALL；-程序包说明ENTITY adder IS -adder是实体名称PORT（a，b：IN std_logic；-定义输入/输出端口信号的类型 c，s：OUT std_logic）；END ENTITY adder；ARCHITECTURE ex1 OF adder IS -ex1是结构体名称BEGIN sa XOR b；-赋值语句 ca AND b；END ARCHITECTURE ex1；程序包程序包实体实体结构体结构体2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出实体的基本格式为：实体

36、的基本格式为：ENTITY 实体名实体名 ISPORT（端口名称端口名称1：输入：输入/输出状态输出状态 数据类型；数据类型；端口名称端口名称2：输入：输入/输出状态输出状态 数据类型；数据类型；END 实体名；实体名；输入输入/输出状态有以下几种状态：输出状态有以下几种状态：（1）IN输入量，信号进入电路单元。输入量，信号进入电路单元。（2）OUT输出量，信号从电路单元输出。输出量，信号从电路单元输出。（3）INOUT信号是双向的，既可以进入电路，也可以从电路输出。信号是双向的，既可以进入电路，也可以从电路输出。（4）BUFFER反馈量。反馈量。常用的端口数据的类型有位型（常用的端口数据的类

37、型有位型（BIT）、位向量型（）、位向量型（BIT_VECTOR）、标）、标准逻辑位型（准逻辑位型（STD_LOGIC）及标准逻辑位向量型）及标准逻辑位向量型（STD_LOGIC_VECTOR等几种。等几种。1 1VHDLVHDL的实体（的实体（ENTITYENTITY）说明语句）说明语句2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出结构体的基本格式为：结构体的基本格式为：ARCHITECTURE 结构体名结构体名 OF 实体名实体名 IS 说明语句说明语句BEGIN 电路描述语句电路描述语句END

38、结构体名；结构体名；2 2结构体（结构体（ARCHITECTURE）说明语句）说明语句 库是经编译后的数据集合，库的作用是使设计者共享编译过的设计库是经编译后的数据集合，库的作用是使设计者共享编译过的设计结果，类似于传统设计中的元器件库。库的说明要放在程序最前面。结果，类似于传统设计中的元器件库。库的说明要放在程序最前面。库的调用语句格式为：库的调用语句格式为：LIBRARY 库名；库名；如对标准库如对标准库IEEE的调用语句为：的调用语句为：LIBRARY IEEE；3 3库（库（LIBRARY）与程序包（）与程序包（PACKAGE）2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语

39、言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出两个标准库两个标准库STDSTD和和IEEEIEEE中包含的程序包中包含的程序包库名库名程序包名程序包名定义的内容定义的内容 STDSTANDAEDTEXTIO定义定义VHDL的数据类型，如的数据类型，如BIT、BIT_VECTOR等。等。定义了对文本文件的读写控制数据类型和子程序等。定义了对文本文件的读写控制数据类型和子程序等。IEEESTD_LOGIC_1164定义定义STD_LOGIC、STD_LOGIC_VECTOR等等STD_LOGIC_ARITH定义有符号与无符号数据类型，基于这些数据类型的算术定义有

40、符号与无符号数据类型，基于这些数据类型的算术运算符，如运算符，如“+”、“”、“*”、“/”、SHL、SHR等。等。STD_LOGIC_SIGNED定义了基于定义了基于STD_LOGIC与与STD_LOGIC_VECTOR数据类数据类型上的有符号的算术运算。型上的有符号的算术运算。STD_LOGIC_UNSIGNED定义了基于定义了基于STD_LOGIC与与STD_LOGIC_VECTOR数据类数据类型上的无符号的算术运算。型上的无符号的算术运算。常用库与程序包调用语句：常用库与程序包调用语句：LIBRARY ieee；USE _；USE _；2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬

41、件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出二二.VHDL的语言元素的语言元素 1标识符与保留字标识符与保留字 标识符是标识符是VHDL语言中符号书写的一般规则，用来表示常量、变量、信语言中符号书写的一般规则，用来表示常量、变量、信号、子程序、结构体和实体等的名称标识符组成的规则如下：号、子程序、结构体和实体等的名称标识符组成的规则如下：（1）标识符由）标识符由26个英文字母和个英文字母和10个数字（个数字（09）及下划线（）及下划线（_）组成。）组成。（2）标识符必须以英文字母开头。最长可以是）标识符必须以英文字母开头。最长可以是32个字符。个字

42、符。（3）标识符中不能有两个连续的下划线，标识符的最后一个字符不能是）标识符中不能有两个连续的下划线，标识符的最后一个字符不能是下划线。下划线。（4）标识符中的英文字母不区分大小写。）标识符中的英文字母不区分大小写。例如，例如，CP、DAT1、wr_1、counter_A等都是合法的标识符。等都是合法的标识符。保留字是具有特殊意义的标识符号。用户不能用保留字作为标识符。保留字是具有特殊意义的标识符号。用户不能用保留字作为标识符。在例中在例中LIBRARY、USE、ENTITY、IS、OF、ARCHITECTURE、BEGIN、END、XOR、AND等都是保留字。等都是保留字。2.3 VHDL2

43、.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 2.客体类型客体类型在在VHDL中可以赋值的对象称为客体，客体包括信号、变量和常量。中可以赋值的对象称为客体，客体包括信号、变量和常量。客体类型客体类别客体类别SIGNALVARABLECONSTANT含义含义信号信号 全局量全局量变量变量 局部量局部量常量常量 全局量全局量使用场合使用场合结构体、进程、块结构体、进程、块进程、函数、过程进程、函数、过程 结构体、进程、块、结构体、进程、块、函数、过程函数、过程物理意义物理意义类似于实际电路的类似于实际电路的“端口端口”，

44、可用于，可用于进程之间的通信。进程之间的通信。暂存某些信号，在运暂存某些信号，在运行过程中可以改变。行过程中可以改变。运行过程中不能改运行过程中不能改变，如电源、地、变，如电源、地、时间等。时间等。2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出 3.数据类型数据类型（1）标准数据类型）标准数据类型数据类型数据类型含含 义义整数（整数（INTEGER）32位位带带符号的整数，符号的整数，21474836472147483647（2311）（）（2311）自然数（自然数（NATURAL）和正）和正整数（整

45、数（POSITIVE）是整数的一个子类型。自然数是指是整数的一个子类型。自然数是指0及以上正整数，取值范围在及以上正整数，取值范围在0（2311）之间。正整数的取值范围在之间。正整数的取值范围在1（2311）之间。）之间。实数（实数（REAL）带符号位的浮点数，在带符号位的浮点数，在1.0e+381.0e+38之间之间位（位（BIT）0或或1 位矢量（位矢量（BIT_VECTOR）用双引号括起来的一组二进制位数据，用于表示总线的状态等。用双引号括起来的一组二进制位数据，用于表示总线的状态等。布尔量（布尔量（BOOLEAN）逻辑值逻辑值true或或false字符（字符（CHARACTER）ASC

46、字符。要用字符。要用单单引号括起来，如引号括起来，如A、b、3等。字符类型中的大等。字符类型中的大小写是有区别的，如小写是有区别的，如A和和a不同不同字符串（字符串（STRING）用双引号括起来的一个字符数组，如用双引号括起来的一个字符数组，如“11001”。常用于程序的提示和说明。常用于程序的提示和说明时间（时间（TIME）表示时间的数据，其单位为表示时间的数据，其单位为ps、ns、s、ms、sec、min和和hr错误等级错误等级（SEVERITY LEVEL）表示系统的状态，有表示系统的状态，有note（注意）、（注意）、warning（警告）、（警告）、error（错误）和（错误）和fa

47、ilure（失败）四种状态（失败）四种状态2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出（2 2）IEEEIEEE预定义标准数据类型预定义标准数据类型在在IEEEIEEE的程序包的程序包STD_LOGIC_1164STD_LOGIC_1164中定义了两个非常重要的数据类型。中定义了两个非常重要的数据类型。STD_LOGICSTD_LOGIC：工业标准的逻辑位类型，：工业标准的逻辑位类型，取值：取值：0 0（强（强0 0）、）、1 1（强（强1 1）、）、Z Z（高阻态）、（高阻态）、X X（强未知的）

48、、（强未知的）、W W（弱未知的）、（弱未知的）、L L（弱（弱0 0）、）、H H（弱（弱1 1）、）、（忽略）、（忽略）、U U（未初始化的）。（未初始化的）。STD_LOGIC_VECTORSTD_LOGIC_VECTOR：工业标准的逻辑位向量，：工业标准的逻辑位向量，STD_LOGICSTD_LOGIC的组合。的组合。在使用这两种数据类型时，在程序中必须有库及程序包说明语句，即在使用这两种数据类型时，在程序中必须有库及程序包说明语句，即LIBRARY IEEELIBRARY IEEE；这两句在程序中必不可少。；这两句在程序中必不可少。2.3 VHDL2.3 VHDL硬件描述语言基础硬件

49、描述语言基础数字电子技术基础数字电子技术基础上一页上一页下一页下一页回目录回目录退出退出（3 3）用户定义的数据类型）用户定义的数据类型枚举类型。用来表示实际生活中的某些事物所具有的特定性质。格式为：枚举类型。用来表示实际生活中的某些事物所具有的特定性质。格式为：TYPE 数据类型名数据类型名 IS（元素（元素1，元素，元素2，）；）；例如例如 TYPE state_m IS（s0，s1，s2，s3，s4）；）；TYPE wenk IS（sun，mon，tue，wed，thu，fri，sat）；）；整数类型和实数类型。是整数类型和实数类型。是VHDL语言中已经存在的标准数据类型的子集。定语言中

50、已经存在的标准数据类型的子集。定义格式为：义格式为：TYPE 数据名数据名 IS 数据类型数据类型 RANGE 数值数值 TO 数值；数值；例如例如 TYPE digit IS integer RANGE 0 TO 9；TYPE signal_level IS real RANGE；数组类型。具有相同的数据类型的元素集合。格式为：数组类型。具有相同的数据类型的元素集合。格式为：TYPE 数组名数组名 IS ARRAY 范围范围 OF 数据类型；数据类型；例如例如 TYPE a IS ARRAY（0 TO 3）OF bit；TYPE rom IS ARRAY（0 TO 7，0 TO 7）OF b