VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 (11)[70页]

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。

教材：《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》候伯亨 顾新西安电子科技大学 参考书：《EDA与数字系统设计》李国丽等机械工业出版社十、具有四种信号灯的交通灯控制器1、设计要求设计一个只有四种信号灯的交通灯控制器。

设计要求是：由一条主干道和—条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄、左拐允许四盏信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外，左拐灯亮允许车辆向左拐弯。

信号灯变换次序为：主支干道交替允许通行，主干道每次放行40s，亮5s红灯让行驶中的车辆有时间停到禁行线外，左拐放行15s，克5s红灯；支干道放行30s，亮5s黄灯，左拐放行15s，亮5s红灯……。

各计时电路为倒计时显示。

其系统框图如图7-1所示。

图10-1 具有四种信号灯的交通灯控制器系统框图2、设计提示此设计问题可分成定时模块、主控电路、译码驱动电路和扫描显示几部分。

定时模块中设置40s、30s、15s、5s计时电路，倒计时可以用减法计数器实现。

状态表如表10-1所示。

表10-1 状态表由于主干道和支干道红灯亮的时间分别为55s和65s，所以，还要设置55s、65s倒计时显示电路。

主控电路和译码显示电路的设计，这里状态数为8个，要用3个JK触发器才能完成主控时序部分的设计。

设置主干道红灯显示信号为LAl，黄灯显示信号为LA2，绿灯信号LA3；左拐灯信号LA4，支干道红灯显示信号LB1，黄灯显示信号LB2，绿灯信号LB3，左拐灯信号LB4。

设置系统使能信号为EN，时钟信号为clk 。

硬件系统示意图如图10-2所示。

图10-2 具有四种信号灯的交通灯控制器硬件系统示意图。

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。

VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版教学设计简介数字逻辑电路设计是电子信息工程专业的重要基础课程之一，是电子技术、计算机科学与技术等专业的核心课程。

数字电路的设计需要借助硬件描述语言，VHDL 是目前广泛应用的硬件描述语言之一。

本教学设计旨在帮助学生掌握VHDL语言的基本语法和使用方法，同时培养学生的数字电路设计能力，提高学生的实践应用能力。

教学目标1.掌握VHDL硬件描述语言的基本语法和编写方法；2.理解数字电路的基本原理和设计思路；3.初步掌握数字电路的设计方法和工具；4.能够运用所学知识设计、测试和验证数字电路。

教学内容第一周：数字电路基础1.数字电路的概念、分类和特点；2.布尔代数和逻辑运算；3.基本逻辑门及其特性。

第二至三周：VHDL简介及基本语法1.VHDL语言的概述和发展历程；2.VHDL语言中的数据类型和运算符；3.VHDL中模块的定义和实例化。

第四至五周：VHDL的结构体和数组1.VHDL结构体的定义和使用；2.VHDL数组的定义和使用；3.VHDL中多维数组的定义和使用。

第六至七周：VHDL数字电路建模1.VHDL中数字电路的建模方法；2.VHDL中数字电路的测试和验证方法。

第八周：VHDL数字电路实验1.VHDL数字电路设计实验的概述；2.VHDL数字电路设计实验的设计和验证。

教学方法本教学设计旨在培养学生的实际应用能力，故采用以实验为主、教学和实验相结合的教学模式。

在课堂讲授的基础上，设置数次小型实验和1次大实验，要求学生按照规定的实验内容和实验要求，独立完成实验。

实验内容1.VHDL模块的设计和仿真；2.VHDL数字电路的设计、仿真和验证；3.VHDL数字电路的综合和布局。

教学评价本教学设计采用多种评价方式，包括课堂表现、小型实验、大型实验和综合评价等。

其中，大型实验占据了60%以上的实验分数，要求学生在指定的时间内，完成从数字电路建模到综合布局的全部环节，并提交完整的实验报告。

VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计修订版课程设计一、前言VHDL硬件描述语言作为一种定义数字电路和计算机应用领域的硬件的语言，被广泛使用。

数字逻辑电路是计算机系统中的基础，是计算机组成原理中十分重要的课程，学习数字逻辑电路对于理解计算机的工作原理、编写程序和实现硬件都是至关重要的。

本次课程设计对VHDL硬件描述语言和数字逻辑电路设计进行了修订。

二、设计目的通过数字逻辑电路和VHDL硬件描述语言的基本概念的学习，使学生了解数字逻辑电路的原理和设计方法，掌握VHDL硬件描述语言的基本语法和使用方法，提高学生的分析和设计能力。

三、设计内容1.数字逻辑电路基础知识：包括数字逻辑基本概念、编码器、解码器、多路选择器、多路复用器、加法器、减法器、比较器等概念和电路图。

2.VHDL硬件描述语言基本概念：包括VHDL的发展简史、VHDL基本语法、数据类型、程序结构等内容。

3.VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用：包括VHDL编程环境（Xilinx软件的使用、仿真、下载）、VHDL的数据类型和运算符及实现方法、数字电路的建模方法等。

4.VHDL应用：以课程要求的特定数字逻辑电路为例，使用VHDL进行模块的建立、仿真、综合和下载。

完成数字逻辑电路的设计。

四、设计流程1. 数字逻辑电路基础知识的学习在课堂上，通过理论讲解和实例分析，学习数字逻辑电路的基本概念，并进行相关电路图的学习。

2. VHDL基础的学习通过理论讲解和实例分析，学习VHDL的基础知识，掌握VHDL的基本语法、数据类型和程序结构，了解VHDL的发展简史和应用领域。

3. VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用通过实例分析和教学实践，学习VHDL语言在数字逻辑电路设计中的应用，并熟练掌握VHDL编程环境（Xilinx软件的使用、仿真、下载）、VHDL的数据类型和运算符及实现方法、数字电路的建模方法等。

4. 数字逻辑电路设计的实践以课程要求的特定数字逻辑电路为目标，使用VHDL进行模块的建立、仿真、综合和下载。

VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计第三版课程设计本次课程设计旨在帮助大家深入理解VHDL硬件描述语言和数字逻辑电路设计的相关知识，提高大家的实践能力和设计能力。

本文将对课程设计的要求和实现方法进行详细说明。

课程设计要求本次课程设计要求大家完成一个基于VHDL的数字逻辑电路设计，包括以下要求：1.手动编写VHDL程序，对指定的数字电路进行仿真分析，并输出相应的波形图。

2.设计一个数字电路，要求该电路可完成特定的逻辑功能，例如加法器、多路选择器等。

3.基于现实的场景需求，完成一个实际的数字电路设计。

例如，实现一个音乐播放器控制器、机器人控制器等。

设计步骤步骤一：了解VHDL语言和数字逻辑电路设计原理在进行数字电路设计之前，需要先理解VHDL语言和数字逻辑电路设计原理。

VHDL语言是一种硬件描述语言，主要用于描述数字逻辑电路。

数字逻辑电路由基本的逻辑单元组成，包括与门、或门、非门等，通过组合这些逻辑单元可以实现更复杂的逻辑电路设计。

步骤二：选择仿真工具选择一款仿真工具进行仿真分析。

常见的仿真工具有ModelSim、Xilinx ISE 等。

步骤三：编写VHDL程序编写VHDL程序，对指定的数字电路进行仿真分析。

根据实际需要，可以选择不同的VHDL语言结构进行编写。

步骤四：仿真分析在仿真工具中进行仿真分析，根据VHDL程序模拟出相应的波形图。

步骤五：设计数字电路基于数字逻辑电路设计原理，设计出特定的数字电路。

需要首先确定电路所需要的逻辑功能，然后根据这个功能设计出合适的电路。

步骤六：实现实际场景需求参考现实的场景需求，设计出一个实际的数字电路，并进行调试测试。

VHDL程序编写规范在编写VHDL程序时，需要遵循一定的编写规范，以保证程序的可读性和可维护性。

1.命名规范：变量和信号的命名应具有较好的描述性，易于理解和记忆。

2.缩进规范：代码缩进应该统一，便于代码的阅读和理解。

3.注释规范：代码中应加入必要的注释，解释各个模块的功能和作用。