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1、CPLD/FPGA的开发与应用,第3章 硬件描述语言VHDL程序结构,VHDL的描述风格,VHDL的库及配置,VHDL的构造体,VHDL的实体,VHDL程序结构,VHDL程序基本结构,VHDL的基本设计单元,Entity(实体) 用来说明模型的外部特征。,Configuration(配置) 将实体和它的构造体联系起来。,Package(程序包) 构成库的基本单元，使实体和结构体内的数据类型、常量、子程序等对于其他设计单元可见，包括包头和包体两部分。,Library (库) 用来存放已编译过的设计单元，可作为其它设计描述的共享资源。,Architecture(构造体) 用来定义模型的功能。,实体
2、(ENTITY)说明语句的一般格式为： ENTITY 实体名 IS 类属参数说明 端口说明 END 实体名；,斜体表示关键字；实体名为设计单元命名；表示可选项；类属参数说明用以指定某些全局参数值；端口说明则定义了每个外部引脚的名称、模式和数据类型。,实体(ENTITY)用来描述设计单元的外部信息，即为设计单元命名，并说明端口。,实体(ENTITY),端口说明的一般格式为： PORT（端口名，端口名：端口模式 数据类型； . . . 端口名，端口名：端口模式 数据类型）；,例如,4-7译码器的端口描述： ENTITY YMQ4_7 IS PORT (Q1,Q2,Q3,Q4 : IN BIT; Y
3、 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 1); END YMQ4_7;,设计实体端口模式说明,端口模式（MODE）,端口模式（MODE）有以下几种类型： IN ；OUT；INOUT ；BUFFER 端口模式可用下图说明：（黑框代表一个设计或模块） IN OUT BUFFER INOUT,实体(ENTITY)与电路图设计中的电路元件符号(Symbol) 相对应。 Symbol规定了电路元件的符号名、接口关系和数据类型，而ENTITY也具有同样的功能。,下面R-S触发器的例子可以看出两者间的对应关系。 (右边是传统设计中的符号图描述，左边是VHDL的设计描述),ENTIT
4、IE与SYMBOL对应关系,* 端口说明语句用关键词 PORT开头，用来描述实体对外界连接的端口名称、数目、模式和数据类型。 本例中，实体rsff有四个端口，Set/Reset是IN模式， Q/QB 是BUFFER(缓冲)输出模式，都为BIT类型。,RSFF实体的VHDL描述为： ENTITY RSFF IS PORT ( set, reset : IN BIT; q，qb : BUFFER BIT); END RSFF;,* 实体语句用关键词ENTITY开头，实体名RSFF对应于符号名SYMBOL，端口说明语句处于实体结束语句END RSFF；之间。,ENTITIE与SYMBOL对应关系举例
5、,ENTITY cntm16 IS -实体定义 PORT (ci : IN std_logic; nreset : IN std_logic; clk : IN std_logic; co : out std_logic; qcnt : buffer std_logic_vector(3 downto 0) ); END cntm16;,端口名称,端口类型,端口模式,构造体(ARCHITECTURE)说明语句的一般格式为： ARCHITECTURE 构造体名 OF 实体名 IS 构造体说明部分 BEGIN 并行处理语句段； END 构造体名；,关键字ARCHITECTURE做为构造体的开头，构
6、造体名可任取，说明是某设计实体的构造体。 ARCHITECTURE和BEGIN之间是构造体参数说明区；BEGIN和END之间是构造体功能说明语句区，由并行处理语句组成。,构造体(architecture),构造体说明语句描述设计功能，即说明设计单元的具体行为或结构。,构造体（Architecture）,构造体（Architecture）,声明语句区（Declarations） 用于结构体中的数据类型，常数，信号，元件，子程序等声明。,并发语句区,信号赋值（Signal Assignments 计算结果，并赋值给信号,元件例化 （Component Instantiations） 调用另一个实体
7、所描述的电路。即元件调用,过程调用（Procedure Calls调用一个预先定义好的一个算法。,进程（Processes） 定义一个新算法实现电路功能。进程中的语句按放置的顺序执行，即顺序语句。,构造体组织结构,功能说明语句是构造体描述的主体，采用并行语句(并行赋值语句、元件例化语句、进程语句等)来描述，有行为功能描述、 数据流描述和结构描述三种设计描述方式（或称三种设计描述风格）。,一个设计实体可以有多个构造体，一种可能是行为描述，另一种可能是结构描述，还有一种可能是数据流描述。 可通过配置语句将某一特定的构造体与实体相联系。,以设计实体rsff的构造体描述为例说明如下。,结构描述风格,r
8、sff结构化描述的构造体： ARCHITECTURE netlist OF rsff IS COMPONENT nand2 PORT ( a, b : IN BIT； c : OUT BIT)； END COMPONENT； BEGIN U1: nand2 PORT MAP (set, qb, q)； U2: nand2 PORT MAP (reset, q, qb)； END netlist；,实体rsff的结构图 :,RSFF实体的VHDL描述为： ENTITY RSFF IS PORT ( set, reset : IN BIT; q，qb : BUFFER BIT); END RSFF
9、;,行为、数据流描述风格,行为描述模型,用输入/输出响应来描述器件的模型 只描述电路的功能，而不是结构 不针对专门的硬件 可用于综合和仿真,Input1N,Output1N,IF input1 THEN FOR j IN high DOWNTO low LOOP shift(j) := shift(j); END LOOP; output1 = shift AFTER 5ns,结构描述模型,用更低层次的器件的互连来描述器件的模型 描述电路的功能和结构 调用特殊的硬件 可用于综合和仿真,Input 1,Input n,Output 1,Output n,底层元件,底层元件,Process (a,
10、 b, c, d, sel) begin case (sel) is when “00” = mux_out mux_out mux_out mux_out = d; end case;,数据流描述模型,将硬件的RTL模型转化为某种优化的特殊的门级电路来具体实现,实体和构造体之间的关系,Input1,Inputn,Output1,Outputn,构造体,A B C D Sel,MUX_Out,2,实体,库（library）,库的种类： WORK库-设计库，对当前项目默认可视，无需调用说明语句。 STD库-资源库，为VHDL标准库，无需调用说明语句。 IEEE库-资源库，含std_logic_1
11、164等逻辑设计标准和设计单元， 需加调用说明语句。 ASIC库-资源库，又称逻辑门库，含已通过编译的设计实体， 需加调用说明语句。 用户自定义库-资源库，由用户开发的共用程序包，需要加调 用 说明语句。,库的作用：利用VHDL进行设计时，为提高设计效率和遵循统一的语言规则或数据类型，将一些有用的数据定义信息程序包汇集到一个或几个库中以供调用，实现资源共享。,std库/ieee库中的程序包,库说明语句,库说明语句一般格式： LIBRARY 库名1； LIBRARY 库名2； LIBRARY 库名；,库说明语句使用范围： 从一个设计实体的实体说明开始到它所属的构造体配置为止。当一段程序中出现两个
12、以上实体时，需要两条以上的库说明语句，且放置在各自的实体说明前。,包集合（package）,包集合调用语句一般格式： LIBRARY IEEE； USE IEEE.std_logic_1164.all; USE IEEE.std_logic_arith.all; USE IEEE.std_logic_unsigned.all;,包集合又称程序包，是库的基本组成单元，是设计中常用子程序和公用数据类型及函数、过程定义的程序集合，可供用户调用。,配置语句的一般格式： CONFIGURATION configuration_name OF ENTITY_name IS FOR architecture
13、_name END FOR; END configuration_name;,配置(configuration),配置(configuration)语句：指明设计实体与结构体之间的连接关系，相当于将设计单元安装到具体的实体中。用户可利用配置语句来选择不同的构造体,使其与具体设计实体相对应。,General VHDL Format,ENTITY test IS PORT (input_pin_name : IN bit; output_pin_name : OUT bit); END test; ARCHITECTURE test_body OF test IS BEGIN output_pin
14、_name = input_pin_name; END test_body;,VHDL Format,Logic Behaviour define section,mux21a实体 mux21a结构体,举例: 设计一个2选1多路通道选择器,d,e,程序包,实体,构造体,多路选择器的VHDL描述（一）,ENTITY mux21a IS PORT ( a, b : IN BIT; s : IN BIT; y : OUT BIT ); END ENTITY mux21a; ARCHITECTURE one OF mux21a IS SIGNAL d,e : BIT; BEGIN d = a AND
15、(NOT S) ; e = b AND s ; y = d OR e ; END ARCHITECTURE one ;,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL,d,e,程序包,实体,构造体,信号传输符号,多路选择器的VHDL描述（二）,多路选择器的时序仿真波形, VHDL代码编写； 2. 综合成门级网表； 3. 功能仿真； 4. 布局/布线至PLD/FPGA中； 5. 时序仿真； 6. 下载。,基于VHDL设计过程,由VHDL程序综合为实用电路,VHDL文本编辑器,VHDL综合器,FPGA/CPLD 适配器,FPGA/CPLD 编程下载器,FPGA/CPLD 器件和电路系统,时序与功能 仿真器,VHDL 仿真器,ALTERA Cadence Exemplar Synopsys Synplicity Viewlogic .,第章 习题 VHDL程序由哪几部分组成？试画出其结构示意图。 什么是设计的实体？其功能作用? 设计实体有哪几种端口模式？端口说明语句的一般格式？ 什么是设计的构造体？简述其功能作用与结构组成。 设计实体中的库有哪几类？其作用是什么？如何调用库资源？ 参考举例，设计一个4选1多路选择器。,交通管理系统设计,VHDL应用举例,管理对象： 信号灯管理：红、黄、绿 时间牌管理：
