VHDL與可編程器件3剖析

1、VHDL與可編程器件3剖析 VHDL語(yǔ)言的英文全名是語(yǔ)言的英文全名是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 即超即超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言。它是高速集成電路硬件描述語(yǔ)言。它是70年代和年代和80年代初，由美年代初，由美國(guó)國(guó)防部為他們的超高速集成電路國(guó)國(guó)防部為他們的超高速集成電路VHSIC計(jì)劃提出的硬件描計(jì)劃提出的硬件描述語(yǔ)言，它支持硬件的設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證和測(cè)試。述語(yǔ)言，它支持硬件的設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證和測(cè)試。202X年年3月，月，IEEE開始致力于開始致力于VHDL的標(biāo)準(zhǔn)化工作，討論的標(biāo)準(zhǔn)化工作，討論VHD

2、L語(yǔ)言語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。IEEE于于202X年年12月公布了月公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本（的標(biāo)準(zhǔn)版本（IEEE STD 1076/202X）；）；202X年年VHDL重新修訂，形成新的標(biāo)準(zhǔn)重新修訂，形成新的標(biāo)準(zhǔn)即即IEEE STD 1076-202X)。什么是什么是VHDL語(yǔ)言？語(yǔ)言？ 從此以后，美國(guó)國(guó)防部實(shí)施新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求電從此以后，美國(guó)國(guó)防部實(shí)施新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求電子系統(tǒng)開發(fā)商的合同文件一律采用子系統(tǒng)開發(fā)商的合同文件一律采用VHDL文檔。即第一文檔。即第一個(gè)官方個(gè)官方VHDL標(biāo)準(zhǔn)得到推廣、實(shí)施和普及。標(biāo)準(zhǔn)得到推廣、實(shí)施和普及。 VHDL語(yǔ)言描述能力極強(qiáng)，覆蓋了邏輯設(shè)計(jì)的諸多領(lǐng)語(yǔ)言描述能力極

3、強(qiáng)，覆蓋了邏輯設(shè)計(jì)的諸多領(lǐng)域和層次，并支持眾多的硬件模型。設(shè)計(jì)者的原始描述是域和層次，并支持眾多的硬件模型。設(shè)計(jì)者的原始描述是非常簡(jiǎn)練的硬件描述，經(jīng)過(guò)非常簡(jiǎn)練的硬件描述，經(jīng)過(guò)EDA工具綜合處理，最終生成付工具綜合處理，最終生成付諸生產(chǎn)的電路描述或版圖參數(shù)描述的工藝文件。諸生產(chǎn)的電路描述或版圖參數(shù)描述的工藝文件。 VHDL有過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE Std 1076-202X (called VHDL 202X)IEEE Std 1076-202X (called VHDL 202X)LIBRARY IEEE ;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY mux21a

4、IS PORT( a, b : IN BIT ; s : IN BIT; y : OUT BIT ) ;END ENTITY mux21a ;ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y = a WHEN s = 0 ELSE b ;END ARCHITECTURE one ;實(shí)體結(jié)構(gòu)體mux21a實(shí)體實(shí)體mux21a結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體2選選1多路選擇器的多路選擇器的VHDL描述描述庫(kù)程序包一、一、VHDLVHDL程序的基本結(jié)構(gòu)程序的基本結(jié)構(gòu) 一個(gè)相對(duì)完整的一個(gè)相對(duì)完整的VHDLVHDL程序程序( (或稱為設(shè)計(jì)實(shí)體或稱為設(shè)計(jì)實(shí)體) )具有如下圖所示的比較固定的結(jié)構(gòu)，即至

5、少應(yīng)包具有如下圖所示的比較固定的結(jié)構(gòu)，即至少應(yīng)包括三個(gè)基本組成部分：括三個(gè)基本組成部分： 1 1、庫(kù)、程序包使用說(shuō)明；、庫(kù)、程序包使用說(shuō)明；2 2、實(shí)體說(shuō)明；、實(shí)體說(shuō)明；3 3、與實(shí)體對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體說(shuō)明；、與實(shí)體對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體說(shuō)明；庫(kù)、程序包使用說(shuō)明配置(CONFIGURATION)結(jié)構(gòu)體(ARCHITECTURE)實(shí)體(ENTITY)PORT端口說(shuō)明結(jié)構(gòu)體說(shuō)明GENERIC類屬說(shuō)明體實(shí)計(jì)設(shè)結(jié)構(gòu)體功能描述VHDL語(yǔ)言再劃分詳細(xì)一些，通常包含五部分：語(yǔ)言再劃分詳細(xì)一些，通常包含五部分：1、庫(kù)、庫(kù)(Library)：專門存放預(yù)編譯程序包的地方專門存放預(yù)編譯程序包的地方；2、包集合、包集合(Packag

6、e)：存放各個(gè)設(shè)計(jì)模塊共享的數(shù)存放各個(gè)設(shè)計(jì)模塊共享的數(shù)據(jù)類型、常數(shù)和子程序等據(jù)類型、常數(shù)和子程序等；3、實(shí)體、實(shí)體(Entity)：用于描述所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的外部接用于描述所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的外部接口信號(hào)或引腳口信號(hào)或引腳；4、構(gòu)造體、構(gòu)造體(Architecture)：用于描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)用于描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為；建立輸入和輸出之間的關(guān)系構(gòu)和行為；建立輸入和輸出之間的關(guān)系；5、配置、配置(Configuration)：安裝具體元件到實(shí)體安裝具體元件到實(shí)體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體對(duì)，可以被看作是設(shè)計(jì)的零件清單體對(duì)，可以被看作是設(shè)計(jì)的零件清單；二、實(shí)體語(yǔ)句結(jié)構(gòu)二、實(shí)體語(yǔ)句結(jié)構(gòu)1.1.實(shí)體說(shuō)明單元的常用語(yǔ)句結(jié)構(gòu)如下：

7、實(shí)體說(shuō)明單元的常用語(yǔ)句結(jié)構(gòu)如下：ENTITY ENTITY 實(shí)體名實(shí)體名 ISIS GENERIC( GENERIC(類屬表類屬表) )； PORT(PORT(端口表端口表) )； END ENTITY END ENTITY 實(shí)體名實(shí)體名 ； 2 2類屬類屬( (GENERIC)GENERIC)說(shuō)明語(yǔ)句說(shuō)明語(yǔ)句 類屬類屬( (GENERIC)GENERIC)參量是一種端口界面常數(shù)，常以參量是一種端口界面常數(shù)，常以一種說(shuō)明的形式放在實(shí)體或塊結(jié)構(gòu)體前的說(shuō)明部分，一種說(shuō)明的形式放在實(shí)體或塊結(jié)構(gòu)體前的說(shuō)明部分，說(shuō)明內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和規(guī)模說(shuō)明內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和規(guī)模 。 類屬說(shuō)明的一般書寫格式如下：類屬說(shuō)明的一般

8、書寫格式如下： GENERIC(GENERIC(常數(shù)名：數(shù)據(jù)類型常數(shù)名：數(shù)據(jù)類型 ：設(shè)定值：設(shè)定值 ；常數(shù)名：數(shù)據(jù)類型；常數(shù)名：數(shù)據(jù)類型:=:=設(shè)定值設(shè)定值 ) )；【例】【例】 ENTITY MCK ISENTITY MCK IS GENERIC(WIDTHGENERIC(WIDTH：INTEGER:=16)INTEGER:=16)； PORT(ADD_BUS PORT(ADD_BUS：OUT OUT STD_LOGIC_VECTOR(WIDTH-1 DOWNTO 0) STD_LOGIC_VECTOR(WIDTH-1 DOWNTO 0) ； . .在這里，在這里，GENERICGENERI

9、C語(yǔ)句對(duì)實(shí)體語(yǔ)句對(duì)實(shí)體MCKMCK的作為地址總線的作為地址總線的端口的端口ADD_BUSADD_BUS的數(shù)據(jù)類型和寬度作了定義，即定的數(shù)據(jù)類型和寬度作了定義，即定義義ADD_BUSADD_BUS為一個(gè)為一個(gè)1616位的位矢量。位的位矢量。3 3PORTPORT端口說(shuō)明端口說(shuō)明 由由PORTPORT引導(dǎo)的端口說(shuō)明語(yǔ)句是對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)引導(dǎo)的端口說(shuō)明語(yǔ)句是對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體界面的說(shuō)明。實(shí)體界面的說(shuō)明。 實(shí)體端口說(shuō)明的一般書寫格實(shí)體端口說(shuō)明的一般書寫格式如下：式如下： PORT(PORT(端口名：端口模式端口名：端口模式 數(shù)據(jù)類型；數(shù)據(jù)類型； 端口名：端口模式端口名：端口模式 數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型)；端口名是

10、賦予每個(gè)系統(tǒng)引腳的名稱，一般用幾個(gè)英端口名是賦予每個(gè)系統(tǒng)引腳的名稱，一般用幾個(gè)英文字母組成文字母組成ENTITY ENTITY 實(shí)體名實(shí)體名 IS IS PORTPORT（ 端口名端口名: :端口模式端口模式 數(shù)據(jù)類型名數(shù)據(jù)類型名; ; 端口名端口名: :端口模式端口模式 數(shù)據(jù)類型名數(shù)據(jù)類型名; ; 端口名端口名: :端口模式端口模式 數(shù)據(jù)類型名數(shù)據(jù)類型名; ; 端口名端口名: :端口模式端口模式 數(shù)據(jù)類型名數(shù)據(jù)類型名; ; 端口名端口名: :端口模式端口模式 數(shù)據(jù)類型名數(shù)據(jù)類型名）; ;END END 實(shí)體名實(shí)體名 ; ;端口模式端口模式: : IEEE 1076 IEEE 1076標(biāo)準(zhǔn)包中

11、定義了四種常用的端口模標(biāo)準(zhǔn)包中定義了四種常用的端口模式，各端口模式的功能及符號(hào)分別見表式，各端口模式的功能及符號(hào)分別見表端端 口口 模模 式式端口模式說(shuō)明端口模式說(shuō)明(以設(shè)計(jì)實(shí)體為主體以設(shè)計(jì)實(shí)體為主體)IN輸入，只讀模式，將變量或信號(hào)信息通過(guò)該端口輸入，只讀模式，將變量或信號(hào)信息通過(guò)該端口讀入讀入OUT輸出，單向賦值模式，將信號(hào)通過(guò)該端口輸出輸出，單向賦值模式，將信號(hào)通過(guò)該端口輸出BUFFER具有讀功能的輸出模式，可以讀或?qū)?，只能有一具有讀功能的輸出模式，可以讀或?qū)?，只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源個(gè)驅(qū)動(dòng)源INOUT雙向，可以通過(guò)該端口讀入或?qū)懗鲂畔㈦p向，可以通過(guò)該端口讀入或?qū)懗鲂畔?shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)類型： IN

12、OUTBUFFERINOUTSTD_LOGICSTD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0 )INTEGERREALBITBIT_VECTOR（0 TO 7）【例】【例】 PORT ( n0, n1, select: IN BIT; q: OUT BIT; bus: OUT BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) ); 本例中，本例中，n0, n1, select 是輸入引腳，屬于是輸入引腳，屬于BIT型，型，q是輸出引腳，是輸出引腳，BIT型，型，bus 是一組是一組8位二位二進(jìn)制總線，屬于進(jìn)制總線，屬于BIT_VECTOR 【例】【例】 2 2輸入與門的實(shí)體描述。輸入與門的

13、實(shí)體描述。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC.1164.ALL;ENTITY AND2 IS GENERIC(RISEW：TIME:=1 ns； FALLW：TIME:=1 ns)； PORT( A1：IN STD_LOGIC； A0：IN STD_LOGIC； Z0：OUT STD_LOGIC)； END ENTITY AND2； 【例】【例】l實(shí)體名與文件名要一樣實(shí)體名與文件名要一樣l文件存放位置文件存放位置l取名要規(guī)范取名要規(guī)范 (實(shí)體名、端口信號(hào)名實(shí)體名、端口信號(hào)名)l合理確定設(shè)計(jì)所需的端口信號(hào)合理確定設(shè)計(jì)所需的端口信號(hào) 構(gòu)造體用于描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為構(gòu)

14、造體用于描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為 構(gòu)造體是實(shí)體的一個(gè)重要部分，每一個(gè)實(shí)體構(gòu)造體是實(shí)體的一個(gè)重要部分，每一個(gè)實(shí)體都有一個(gè)或一個(gè)以上的構(gòu)造體。（都有一個(gè)或一個(gè)以上的構(gòu)造體。（對(duì)于具有多個(gè)結(jié)構(gòu)體的實(shí)體，必須用CONFIGURATION(配置)語(yǔ)句指明用于綜合的結(jié)構(gòu)體和用于仿真的結(jié)構(gòu)體）一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體一般由兩個(gè)基本層次組成： 1、對(duì)數(shù)據(jù)類型、常數(shù)、信號(hào)、子程序和元件等元素的說(shuō)明部分。2、描述實(shí)體邏輯行為的，以各種不同的描述風(fēng)格表達(dá)的功能描述語(yǔ)句。進(jìn)程語(yǔ)句塊語(yǔ)句體結(jié)構(gòu)明說(shuō)體構(gòu)結(jié)述能描功體構(gòu)結(jié)元件例化語(yǔ)句子程序調(diào)用語(yǔ)句信號(hào)賦值語(yǔ)句常數(shù)說(shuō)明數(shù)據(jù)類型說(shuō)明信號(hào)說(shuō)明例化元件說(shuō)明子程序說(shuō)明1. 結(jié)構(gòu)體的一般語(yǔ)句格

15、式結(jié)構(gòu)體的一般語(yǔ)句格式 結(jié)構(gòu)體的語(yǔ)句格式如下：結(jié)構(gòu)體的語(yǔ)句格式如下：ARCHITECTURE 結(jié)構(gòu)體名結(jié)構(gòu)體名 OF 實(shí)體名實(shí)體名 IS 說(shuō)明語(yǔ)句說(shuō)明語(yǔ)句;BEGIN 功能描述語(yǔ)句功能描述語(yǔ)句;END ARCHITECTURE 結(jié)構(gòu)體名結(jié)構(gòu)體名； 2結(jié)構(gòu)體說(shuō)明語(yǔ)句結(jié)構(gòu)體說(shuō)明語(yǔ)句 結(jié)構(gòu)體中的說(shuō)明語(yǔ)句是對(duì)結(jié)構(gòu)體的功能描述結(jié)構(gòu)體中的說(shuō)明語(yǔ)句是對(duì)結(jié)構(gòu)體的功能描述語(yǔ)句中將要用到的信號(hào)語(yǔ)句中將要用到的信號(hào)(SIGNAL)、數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型(TYPE)、常數(shù)常數(shù)(CONSTANT)、元件元件(COMPONENT)、函數(shù)函數(shù)(FUNCTION)和過(guò)程和過(guò)程(PROCEDURE)等加以說(shuō)明的語(yǔ)句。等加以說(shuō)明的語(yǔ)

16、句。3功能描述語(yǔ)句結(jié)構(gòu)功能描述語(yǔ)句結(jié)構(gòu) 功能描述語(yǔ)句結(jié)構(gòu)可以含有五種不同類型功能描述語(yǔ)句結(jié)構(gòu)可以含有五種不同類型的、以并行方式工作的語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，而在每一語(yǔ)的、以并行方式工作的語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，而在每一語(yǔ)句結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可能含有并行運(yùn)行的邏輯描述語(yǔ)句結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可能含有并行運(yùn)行的邏輯描述語(yǔ)句或順序運(yùn)行的邏輯描述語(yǔ)句。句或順序運(yùn)行的邏輯描述語(yǔ)句。各語(yǔ)句結(jié)構(gòu)的基本組成和功能分別是：各語(yǔ)句結(jié)構(gòu)的基本組成和功能分別是： (1) 塊語(yǔ)句是由一系列并行執(zhí)行語(yǔ)句構(gòu)成的組合體，塊語(yǔ)句是由一系列并行執(zhí)行語(yǔ)句構(gòu)成的組合體，它的功能是將結(jié)構(gòu)體中的并行語(yǔ)句組成一個(gè)或多個(gè)模它的功能是將結(jié)構(gòu)體中的并行語(yǔ)句組成一個(gè)或多個(gè)模塊。塊。 (2)

17、進(jìn)程語(yǔ)句定義順序語(yǔ)句模塊，用以將從外進(jìn)程語(yǔ)句定義順序語(yǔ)句模塊，用以將從外部獲得的信號(hào)值，或內(nèi)部的運(yùn)算數(shù)據(jù)向其他的信部獲得的信號(hào)值，或內(nèi)部的運(yùn)算數(shù)據(jù)向其他的信號(hào)進(jìn)行賦值。號(hào)進(jìn)行賦值。 (3) 信號(hào)賦值語(yǔ)句將設(shè)計(jì)實(shí)體內(nèi)的處理結(jié)果向信號(hào)賦值語(yǔ)句將設(shè)計(jì)實(shí)體內(nèi)的處理結(jié)果向定義的信號(hào)或界面端口進(jìn)行賦值。定義的信號(hào)或界面端口進(jìn)行賦值。 (4) 子程序調(diào)用語(yǔ)句用于調(diào)用一個(gè)已設(shè)計(jì)好的子程子程序調(diào)用語(yǔ)句用于調(diào)用一個(gè)已設(shè)計(jì)好的子程序。序。 (5) 元件例化語(yǔ)句對(duì)其他的設(shè)計(jì)實(shí)體作元件調(diào)用元件例化語(yǔ)句對(duì)其他的設(shè)計(jì)實(shí)體作元件調(diào)用說(shuō)明，并將此元件的端口與其他的元件、信號(hào)或高說(shuō)明，并將此元件的端口與其他的元件、信號(hào)或高層次實(shí)體的界面端口進(jìn)行連接。層次實(shí)體