VHDL电路设计

基于VHDL的数字电路综合设计一、引言数字电路设计是计算机科学中的一个重要领域，也是电子工程中的核心内容之一。

在数字电路设计中，经常会用到VHDL语言进行功能仿真和硬件实现，本文将介绍基于VHDL的数字电路综合设计。

二、VHDL语言简介VHDL是VHSIC硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)的缩写，是一种描述数字系统的硬件设计语言。

VHDL支持复杂的设计和测试，并具有高度的可重用性和可扩展性，因此被广泛应用于数字电路设计。

VHDL语言包含结构体、函数、过程、运算符等元素，允许用户在设计过程中进行各种模拟和优化，支持从最基本的逻辑门直到复杂的微处理器设计。

同时，VHDL可以在不同的电脑平台上使用，并且可以与其他软件工具进行无缝集成。

三、数字电路综合设计流程数字电路综合设计是指将高级语言的描述转换为符合硬件描述语言规范的电路图。

数字电路综合设计流程如下：1.设计规范：对电路进行功能分析和描述，包括输入、输出、功能、时序等方面。

2.编写VHDL代码：根据设计规范编写VHDL代码，包括模块实例化、输入输出端口定义、内部信号定义、电路描述等。

3.逻辑综合：将VHDL代码进行逻辑综合，将代码转换为门级电路，通常采用的软件工具是DC综合器。

4.布局布线：将逻辑综合得到的门级电路进行布局布线，得到网表电路。

5.时序分析：对网表电路进行时序分析，保证电路能够在设定的时间内完成给定的操作。

6.物理综合：根据时序分析结果对网表电路进行物理综合，将电路布局在芯片上，并定义技术参数。

7.后仿真：对综合后的电路进行后仿真，验证电路设计是否符合原始设计要求。

四、综合设计工具的选择数字电路综合设计需要使用多种工具，主要涉及到硬件描述语言编写工具、逻辑综合工具、布局布线工具、笔画校验工具和后仿真工具等。

常见的综合设计工具有：1.VHDL编译器和仿真器：VHDL编译器和仿真器是支持VHDL语言的电路设计工具，可以实现VHDL语言的编写和电路仿真功能。

vhdl硬件描述语言与数字逻辑电路设计数字逻辑电路设计是一种将数字信号进行处理和控制的技术。

数字电路由元器件（比如集合在一起的门、触发器、逻辑块、寄存器等）构成，这些元件的行为由原理图和逻辑方程式表示。

数字电路的设计主要是为了控制、处理和传输数字信号，具有可控制性、自动化程度较高和灵活性强的特点。

VHDL与数字逻辑电路设计是密切相关的，VHDL既可以用来描述数字电路的结构，也可以用来推导数字电路的行为。

在数字逻辑电路设计中，VHDL语言可以帮助工程师实现电路的功能和特性，简化设计过程，并提高设计的灵活性和可靠性。

VHDL是一种硬件描述语言，可以用来描述数字逻辑电路中的各种元件、信号和功能。

VHDL主要包括以下几个方面的内容：1. 实体（entity）：实体用来描述数字电路的外部结构和功能，类似于模块的概念。

一个实体声明了电路的输入输出端口，并定义了电路的功能和行为。

2. 体系结构（architecture）：体系结构用来描述实体的内部结构和功能，包括内部信号、寄存器、逻辑块等。

一个体系结构定义了实体的具体实现方式，包括各个元件之间的连接和控制。

3. 信号（signal）：信号用来表示数字电路中的各种输入输出信号，包括时钟信号、数据信号、控制信号、状态信号等。

VHDL语言中的信号可以用来描述电路中的各种逻辑关系和行为。

4. 过程（process）：过程用来描述电路中的各种行为和动作，比如数据传输、逻辑运算、状态转换等。

VHDL中的过程可以用来描述数字电路中的各种逻辑操作和控制。

5. 组合逻辑（combinational logic）：组合逻辑用来描述电路中的各种逻辑运算和逻辑关系，包括与门、或门、非门、异或门等。

组合逻辑表示了电路中的直接逻辑关系和信号转换。

6. 时序逻辑（sequential logic）：时序逻辑用来描述电路中的各种时钟触发、状态转换、寄存器等。

时序逻辑表示了电路中的时钟控制、状态转换和时序问题。

实验三 VHDL 时序逻辑电路设计一、实验目的1．熟悉用VHDL语言设计时序逻辑电路的方法2．熟悉用Quartus文本输入法进行电路设计二、实验所用仪器元件及用途1．计算机：装有Quartus软件，为VHDL语言提供操作场所。

2．直流稳压电源：通过USB接口实现，为实验开发板提供稳定电源。

3．数字系统与逻辑设计实验开发板：使试验结果下载到开发板上，实现整个实验的最终结果。

三、实验内容1．用VHDL语言设计实现一个8421码十进制计数器。

（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求，并下载到实验板上验证试验结果。

（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。

2．用VHDL语言设计实现一个分频系数为8，分频输出信号占空比为50%的分频器。

（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求。

（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。

3．用VHDL语言设计实现一个控制8个发光二极管亮灭的电路。

（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求，并下载到实验板上验证试验结果。

a.单点移动模式：一个点在8个发光二极管上来回的亮b.幕布式：从中间两个点，同时向两边依次点亮直至全亮，然后再向中间点灭，依次往复c.通过拨码开关或按键控制两种模式的转换（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。

四、实验设计思路及过程1.8421码十进制计数器状态转移表左图为8421码十进制计数器的状态转移表，abcd为初状态，ABCD为下一状态，每当有“1”出现时，相应的管脚就亮灯，从而从0000到1001的灯依次出现。

VHDL代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY count12 ISPORT(clk,clear:IN STD_LOGIC;q :OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END count12;ARCHITECTURE a OF count12 ISSIGNAL q_temp:ATD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk'event and clk='1') THENIF clear='0' THENq_temp<="0000";ELSIF q_temp="1011"THENq_temp<="0000";ELSEq_temp<=q_temp+1;END IF;END IF;END PROCESS;q<=q_temp;END a;2.分频系数为8，输出占空比为50%的分频器的设计左图为八分频器（占空比50%）的状态转移图，其中abc为原状态，ABC为下一状态。

vhdl设计实验报告VHDL设计实验报告引言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，广泛应用于数字电路设计和验证。

本实验旨在通过设计一个简单的电路来熟悉VHDL语言的基本语法和设计流程。

一、实验背景数字电路是现代电子系统的基础，而VHDL则是描述和设计数字电路的重要工具。

VHDL可以帮助工程师们以一种形式化的语言来描述电路的功能和结构，从而实现电路的模拟和验证。

二、实验目的本实验的目的是通过使用VHDL语言设计一个简单的电路，加深对VHDL语言的理解，并掌握基本的电路设计流程。

三、实验步骤1. 确定电路功能在设计电路之前，首先需要明确电路的功能。

本实验中，我们选择设计一个4位加法器电路。

2. 设计电路结构根据电路功能的要求，设计电路的结构。

在本实验中，我们需要设计一个4位加法器，因此需要使用4个输入端口和一个输出端口。

3. 编写VHDL代码使用VHDL语言编写电路的描述代码。

在代码中，需要定义输入和输出端口的类型和位宽，并实现电路的功能。

4. 进行仿真使用仿真工具对设计的电路进行仿真，以验证电路的功能是否符合预期。

通过输入不同的测试数据，观察输出是否正确。

5. 下载到FPGA开发板将设计好的电路代码下载到FPGA开发板上进行验证。

通过连接输入信号和观察输出信号，验证电路在实际硬件上的运行情况。

四、实验结果与分析经过仿真和实际验证，我们设计的4位加法器电路在功能上符合预期。

输入不同的数据进行加法运算时，输出结果都正确。

五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了VHDL语言的基本语法和设计流程。

通过设计一个简单的电路，我们掌握了VHDL的应用方法，并通过仿真和实际验证，加深了对电路设计的理解。

六、实验心得本实验让我对VHDL语言有了更深入的认识。

通过实际操作，我更加熟悉了VHDL的编写和仿真流程。

VHDL与数字电路设计实验报告引言本实验旨在通过使用VHDL编程语言和数字电路设计技术，实现特定功能的电路设计。

本文档将对实验的步骤、设计原理和结果进行详细描述。

实验步骤1. 步骤一：熟悉VHDL编程语言在实验开始之前，团队成员对VHDL编程语言进行了研究和熟悉。

我们了解了VHDL的基本语法、数据类型和结构，并获得了对VHDL设计原理的初步理解。

2. 步骤二：设计功能电路在本实验中，我们选择了一个特定的功能电路进行设计。

我们首先进行了功能需求分析，并根据需求确定了电路的输入输出信号以及主要的逻辑运算。

然后，我们使用VHDL编程语言将电路的逻辑运算实现为代码，并进行了仿真和测试。

3. 步骤三：电路仿真和验证为了验证我们设计的电路功能的正确性，我们使用了VHDL仿真工具进行了电路的仿真和验证。

我们根据输入信号的不同组合，观察输出信号的变化，并与我们预期的结果进行比较。

通过这一步骤，我们确认了我们设计的电路能够按照预期工作。

4. 步骤四：电路实现和测试在确认电路的设计和仿真结果无误之后，我们进一步将电路实现到实际的数字电路平台上，并进行了硬件测试。

我们使用实际的输入信号来测试电路的性能和稳定性，并对输出信号进行观察和分析。

通过这一步骤，我们验证了电路在实际环境中的可行性。

设计原理我们设计的电路基于特定的功能需求，采用了经典的数字电路设计原理。

通过使用VHDL编程语言，我们将电路的逻辑运算实现为逻辑门和触发器的组合。

通过将输入信号连接到适当的逻辑门和触发器，我们实现了所需的功能。

结果与分析经过实验步骤的完成，我们成功地设计和实现了一个具有特定功能的数字电路。

在仿真测试和实际测试中，电路都表现出了良好的性能和稳定性。

根据结果的分析，我们验证了电路的设计原理和逻辑的正确性。

结论本实验通过使用VHDL编程语言和数字电路设计技术，成功地实现了一个具有特定功能的电路设计。

我们的实验结果表明，VHDL和数字电路设计技术在电路设计领域具有重要的应用价值。

VHDL语言实现数字电路设计数字电路是由逻辑门、寄存器以及其他数字组件组成的电子系统，用于处理和传输数字信号。

VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统。

通过使用VHDL语言，我们可以实现数字电路的设计，从而满足各种需求。

VHDL语言提供了一种结构化的设计方法，允许设计者描述硬件电路的结构、功能以及时序行为。

以下是一些常见的数字电路设计任务，以及如何使用VHDL语言来实现它们。

1. 门电路设计门电路是最简单的数字电路之一，由逻辑门组成。

使用VHDL语言，我们可以通过描述逻辑门的输入和输出来实现门电路的设计。

例如，我们可以使用VHDL语言描述一个与门：```vhdlentity AND_gate isport (A, B : in bit;Y : out bit);end entity AND_gate;architecture dataflow of AND_gate isbeginY <= A and B;end architecture dataflow;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口A和B，以及一个输出端口Y。

在architecture部分，我们使用VHDL语言描述了Y的逻辑值为A和B的逻辑与。

2. 时序逻辑电路设计时序逻辑电路是根据时钟信号进行操作和状态转换的电路。

使用VHDL语言，我们可以描述时序逻辑电路的行为和状态变化。

例如，我们可以使用VHDL语言描述一个触发器：```vhdlentity D_flip_flop isport (D, CLK : in bit;Q : out bit);end entity D_flip_flop;architecture behavior of D_flip_flop issignal Q_temp : bit;beginprocess(CLK)beginif CLK'event and CLK = '1' thenQ_temp <= D;end if;end process;Q <= Q_temp;end architecture behavior;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口D和CLK，以及一个输出端口Q。

实验报告一、实验目的熟悉利用QuartusⅡ的VHDL文本设计流程，学习简单组合电路的设计、多层次电路设计、编译及仿真全过程。

二、实验内容1.利用QuartusⅡ完成2选1多路选择器的文本编辑输入和仿真测试等步骤，给出仿真波形。

2．根据工作原理，利用VHDL语言完成1位半加器和全加器的设计；3.建立一个更高的原理图设计层次，利用以上获得的1位全加器用例化语句写出8位二进制全加器的顶层文件，并讨论此加法器的电路特性。

三、实验环境计算机、QuartusII软件四、实验步骤1.利用QuartusⅡ完成2选1多路选择器的文本编辑输入和仿真测试等步骤，给出仿真波形。

(1)代码（2）仿真波形仿真结果分析：当s=1时，y=b，即输出信号b；当s=0时，y=a，即输出信号b。

仿真结果与理论结果是一致的，所以编辑的2选1多路选择器的文本是正确的.2．根据工作原理，利用VHDL语言完成1位半加器和全加器的设计；1位半加器设计：(1)代码（2）仿真波形仿真结果分析：进位信号so=a AND b,即当且仅当a=b=1时，产生进位。

输出信号so=a XOR b，当a=1，b=0或a=0，b=1时，输出信号so=1，否则so=0。

仿真结果与理论结果是一致的，所以编辑1位半加器的的文本是正确的.原件or2a（1）代码（2）原理图1位全加器加器设计：(1)代码（2）仿真波形(3)原理图3.建立一个更高的原理图设计层次，利用以上获得的1位全加器用例化语句写出8位二进制全加器的顶层文件，并讨论此加法器的电路特性。

(1)代码（2）仿真波形结果分析：A1，B1分别是两个加数的最低位，依次类推，A8，B8分别是两位加数的最高位。

当最高位A8，B8与来自低位进位C7中有两个是高电平时，则进位CARRY会产生高电平，否则CARRY为低电平。

其余位数的加法跟生活中的加法是一致的。

（3）原理图五、实验结果与讨论试验结果和理论结果是一致的，所以对2选1多路选择器、半加器、全加器以及8为全加器的文本描述是正确的。

实验一秒表计数器的设计实验目的:本实验通过设计四种频率可选的数字时钟系统, 以达到熟悉VHDL 语言编程语法、设计思路和熟练掌握Quartus II 开发软件的目的。

二、实验内容:该数字时钟的显示格式如下所示: HH: MM: SS, 其中HH表示时计数的两位, MM表示分计数的两位, SS表示秒计数的两位。

本系统输入信号分别为复位信号rst(高有效)、sel(两位信号, 分别可以选择2分频、4分频8分频和16分频)、clk_in(时钟信号)、8位时输出、8位分输出、8位秒输出(其中高4为表示对应的高半字节、低4位表示的低半字节, 譬如当时间为08:59:30时, 时输出为”0000_1000”,分输出为”0101_1001”,秒输出为”0011_0000”)。

该时钟系统可以通过Sel信号时钟运行的快慢。

三、实验流程:通过对实验内容的分析: 可以考虑时钟系统的可由三部分组成: 1.分频器:分频器为时序电路并且通过《数字电路》理论课程的学习可知由计数器来实现, 同学可以回想一下实验1中是如何实现计数器电路的设计）, 该模块主要产生2.4.8、16分频的时钟信号；2.多路选择器:在VHDL中多路选择器为组合逻辑, 可以有多种实现方法, 在这里主要选用了case语句来实现。

该模块的作用是从分频器中根据Sel信号选择适当的时钟信号；3.时钟控制器:该模块比较复杂, 主要实现功能是实现一个24小时的计时。

当时间为00:00:59的时候下一个时钟到来时状态的跳变为00:01:00, 计时中多数计数为加1操作, 有几个特殊状态需要重点考虑：当时间产生分进数时, 譬如上例。

当时间产生时进数时, 譬如00:01:59时刻的下一个状态为00:02:00;当时间产生时进数时, 譬如00:59:59是个的下一个状态为01:00：00。

当时间产生天进数时, 譬如23:59:59的下一个状态为00:00:00。

四、仿真要求:1、本次试验的结果全部采用功能仿真分析:在结果图中能够看到让复位信号rst为有效的情况下, 所有的输出为00:00:00；2.当频率选择输出分别为”00”、”01”、”10”、”11”时秒为的进数分别包含2.4.8、16倍clk_in的时钟周期；3.可以看到完整的计时周期00:00:00->23:59:59->00:00:00。

vhdl七段数码管显示0到9计数器显示电路设计在 VHDL 中，可以使用进程`PROCESS`和状态机来实现七段数码管显示 0 到 9 的计数器显示电路设计。

以下是一个示例代码：```vhdl-- 七段数码管显示 0 到 9 的计数器显示电路设计-- 定义七段数码管的显示编码CONSTANT seven_seg : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0) := "1111110";CONSTANT seg_map : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0) := "0000011";-- 定义计数器的位数和初始值CONSTANT count_width : NATURAL := 4;CONSTANT count_init : NATURAL := 0;-- 声明计数器和七段数码管显示的信号Signal count : STD_LOGIC_VECTOR(count_width - 1 DOWNTO 0);Signal seg : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);-- 计数器的进程Process (clk)BeginIf clk'event and clk = '1' ThenIf count = count_init - 1 Thencount <= count_init;Elsecount <= count + 1;End If;End If;End Process;-- 七段数码管显示的进程Process (count)BeginCase count IsWhen count_init - 1 => seg <= seven_seg;When count_init => seg <= seg_map;When count_init + 1 => seg <= seven_seg;When count_init + 2 => seg <= seg_map;When count_init + 3 => seg <= seven_seg;When count_init + 4 => seg <= seg_map;When count_init + 5 => seg <= seven_seg;When count_init + 6 => seg <= seg_map;When count_init + 7 => seg <= seven_seg;When count_init + 8 => seg <= seg_map;When count_init + 9 => seg <= seven_seg;When Others => seg <= seven_seg;End Case;End Process;-- 连接计数器和七段数码管显示的信号Output seg;```上述代码中，使用了两个进程`PROCESS`来实现计数器和七段数码管的显示。

实验名称：组合逻辑VHDL设计——门电路一、2输入与门的VHDL设计1.实体框图2.程序设计①编译前的程序Entity and2a isport(a,b:in bit;c:out bit);end entity and2a;Architecture ex1 of and2a isbeginc<=a and b;end architecture ex1;②程序编译错误情况：无3.仿真波形图4.仿真波形分析有0出0；全1出1。

当A和B中有一个为低电平，C则为低电平；当A和B都为高电平时，C则为高电平。

二、3输入与非门的VHDL设计2.程序设计①编译前的程序Entity nand3a isport(A,B,C:in bit;Y:out bit);end entity nand3a;Architecture ex2 of nand3a isbeginY<=not(A and B and C);end Architecture ex2;②程序编译错误情况：无3.仿真波形图4.仿真波形分析有0出1，全1出0。

当A，B，C中有一个为低电平时，Y则为高电平；当A，B，C三者全为高电平时，Y则为低电平。

三、全加器的VHDL设计2.程序设计①编译前的程序Entity nand3B isport(A,B,CI:in bit;S,CO:out bit);end Entity nand3B;Architecture ex3 of nand3B issignal c,d,e,f :bit;beginc<=A xor B;d<=c and CI;e<=A and B;f<=e nor d;S<=c xor CI;CO<=not f;end architecture ex3;②程序编译错误情况：无3.仿真波形图4.仿真波形分析A B CI CO S0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 0 10 1 1 1 01 0 0 0 11 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 1这是一个全加器,其中A，B为输入，CI为来自低位的进位。