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硬件描述语言及器件7

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数字集成电路设计与硬件描述语言

数字集成电路设计与硬件描述语言
docin/sundae_meng
docin/sundae_meng
空白符和注释
module MUX2_1 (out, a, b, sel);
// Port declarations
单行注释
output out;
到行末结束
input sel, // control input
b, /* data inputs */ a;
and and2 (b1, b, sel);
or or1 (out, a1, b1);
endmodule
docin/sundae_meng
标识符(identifiers)
• 有效标识符举例： shift_reg_a busa_index _bus3
• 无效标识符举例： 34net // 开头不是字母或“_” a*b_net // 包含了非字母或数字， “$” “_” n238 //包含了非字母或数字， “$” “_”
• 可读性强，易修改。 • 提高逻辑设计的效率，降低设计成本，更重要的是缩
短设计周期。 • HDL追求对硬件的描述，而将该描述在目标器件上实
现则由EDA工具的综合器完成。 • 受限于目标器件，并不是所有HDL语句均可被综合。
docin/sundae_meng
• VHDL和Verilog HDL是目前世界上流行最广的两 种硬件描述语言，都是在20世纪80年代中期开发 出来的。均为IEEE标准。
’0’, Low, False, Logic Low, Ground, ‘1’, High, True, Logic High, Power, VDD, ’X’ Unknown: Occurs at Logic Which Cannot be Resolved Conflict HiZ, High Impedance, Tri- Stated,

vhdl硬件描述语言与数字逻辑电路设计

vhdl硬件描述语言与数字逻辑电路设计

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。

Verilog硬件描述语言

Verilog硬件描述语言
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第9页/共151页
➢等式运算符(= =,!=,= = =,!= =) •= =：逻辑相等 •!=：逻辑不等 •= = =：全等（对x和z严格按位比较） •!= =：非全等 •说明 = = 与= = = 的差别：
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第10页/共151页
➢运算的优先级
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第11页/共151页
➢Verilog的层次结构
•过程块是行为建模的基础 •有两种过程块 –initial 过程块：只执行一次。 –always 过程块：反复执行。 •过程块可以包含如下内容： –过程赋值：描述块内的数据流。 –高级结构（循环，条件）：描述块的功能。 –时间控制：控制块中语句的执行情况。
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第14页/共151页
➢过程赋值 •过程赋值：在过程块内的赋值 •过程赋值针对variable类型的数据 •要赋予的值可以是任何合法的表达式 •过程赋值可以分成： –阻塞赋值：串行执行，只有执行完了前一条语句，后一条语句才能执行。 –非阻塞赋值：并行执行，一组赋值语句之间没有前后顺序关系，它们在同一时刻开 始计算右值表达式，即不等当前语句执行完，即开始执行下一条语句。
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第8页/共151页
➢运算符(Operators)
•算术运算符(+,-,*,/,%) •关系运算符(>,<,>=,<=) •等式运算符(= =,!=,= = =,!= =) •逻辑运算符(&&,||,!) •条件运算符(?:) •位运算符(~,|,^,&,~^,^~) •移位运算符(<<,>>) •拼接运算符({}) •赋值运算符(=,<=)
endmodule
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第16页/共151页
➢非阻塞过程赋值举例（<=） module swap_ vals;

硬件描述语言第01讲

硬件描述语言第01讲

VHDL语言载体背景：设计流程
设计输入：将设计的电路逻辑功能按照开发系统要求 的形式表达出来，有如下三种方式：
（1）原理图输入方式 适用于对系统及各部分电路很熟悉的场合。 （2）硬件描述语言输入方式
硬件描述语言是用文本方式描述设计，硬件描 述语言有ABEL、AHDL、VHDL、Verilog等，其中VHDL 和Verilog已成为IEEE标准。
类属声明：确定实体或组件中定义的局部常数。是一种端口 界面常数。 常以说明的形式放在实体或结构体前 的说明部分。它的值可由实 体外部提供。
Generic (常数名称：数据类型 [：= 缺省值] {；常数名称：数据类型 [：= 缺省值]}}； 例： generic (width : integer : = 16) ;
1.3 VHDL程序结构
基 本 结 构
1.3 VHDL程序结构
ENTITY 实体名 IS 类属声明 端口声明 END 实体名; ARCHITECTURE 构造体名 OF 实体名 IS 枚举数据类型 内部信号声明 元件声明 BEGIN 信号赋值语句 进程语句 元件例化 END 构造体名;
基 本 结 构
（3）波形输入方式
VHDL语言载体背景：设计流程
设计处理






逻辑优化：把逻辑描述转变为最适合在器件中实现的 形式，优化使设计所占用的资源最少。 逻辑综合：将多个模块化设计文件合并为一个网表文 件。 适配：确定优化后的逻辑能否与器件中的宏单元和 I/O单元适配。 分割：将大的设计分割为多个便于器件内部资源实现 的逻辑小块的形式。 布局与布线：将已分割的逻辑小块放到器件内部逻辑 资源的具体位臵并利用布线资源完成各功能块之间的 连接。 生成编程文件：生成可供器件编程使用的数据文件。

第11章++硬件描述语言VHDL简介

第11章++硬件描述语言VHDL简介

实体部分最核心的内容是由关键字port引导的端口说明。A和B是输入引脚，使 用了关键字in来描述。Bit的意思是指A和B的数据类型是位类型。位类型数据只可取 0和1这两个数值。S和CO是输出信号，用out来描述，数据类型也是bit型。 实体说明的是部件的名称和端口信号类型，它可以描述小至一个门，大到一个复杂 的CPU芯片、一块印制电路板甚至整个系统。实体的电路意义相当于器件，在电路 原理图上相当于元件符号，它是一个完整的、独立的语言模块，并给出了设计模块 和外部接口。 具体语法如下： entity 实体名 is ——实体名自选，通常用反映模块功能特征的名称 port（端口名称1：端口方式1 端口类型1； 端口名称2：端口方式2 端口类型2；…）； end 实体名； ——这里的实体名要和开始的实体名一致 其中端口方式可以有5种，分别是： in：输入端口，信号从该端口进入实体。 out：输出端口，信号从实体内部经该端口输出。 inout：输入输出（双向）端口，信号既可从该端口输入也可从该端口输出。 buffer：缓冲端口，工作于缓冲模式。 Linkage：无指定方向，可与任何方向的信号连接。
（2）用户自定义的数据类型 VHDL语言允许用户自定义数据类型。其书写格式为： type 数据类型名 is 数据类型定义； 例如： type digit is integer range 0 to 9； ——定义digit的数据类型是0～9的整 数 可由用户定义的数据类型有： 枚举（Enumerated）类型； 整数（Integer）类型； 实数（Real）、浮点数（Floating）类型； 数组（Array）类型； 存取（Access）类型； 文件（File）类型； 记录（Record）类型； 时间（Time）类型（物理类型）。
11.1 VHDL语言基础

EDA与硬件描述语言.

EDA与硬件描述语言.

• EDA设计方法：自上而下的设计方法
系统规格设计 功能级描述、仿真 模块化分、仿真
逻辑综合、优化、布局布线
定时仿真、定时检查
输出门级网表 ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试
2.传统的设计方法是基于电路板的设计方法， EDA技术是基于芯片的设计方法
可编程逻辑器件
芯片设计
电路板构成
电子系统
3.描述方式不同 传统设计方法采用电路图为主； EDA设计方法以硬件描述语言 （HDL_Hard Description Language）为主 4.设计手段不同 传统设计方法以手工设计为主； EDA设计方法为自动实现，其方案验 证与设计、系统逻辑综合、布局布线、性 能仿真、器件编程均由EDA工具一体化完 成
• FPGA 在结构上主要分为三个部分，即可 编程逻辑单元，可编程输入 /输出单元和可 编程连线三个部分。CPLD在结构上主要包 括三个部分，即可编程逻辑宏单元，可编 程输入/输出单元和可编程内部连线。 • 高集成度、高速度和高可靠性是 FPGA/CPLD最明显的特点，其时钟延时可 小至ns级。结合其并行工作方式，在超高 速应用领域和实时测控方面有着非常广阔 的应用前景。
2.计算机辅助工程设计(CAE)阶段 20世纪80年代初，出现了低密度的可 编程逻辑器件(PAL_Programmable Array Logic和GAL_Generic Array Logic)，相应 的EDA开发工具主要解决电路设计没有完 成之前的功能检测等问题。 80年代后期，EDA工具已经可以进行 初级的设计描述、综合、优化和设计结果 验证。
教材及参考资料
• 教材： 《VHDL硬件描述语言》 辛春艳编著 国防工业出版社 • 参考书： 《VHDL与数字电路设计》卢毅、赖杰 编著 科学出版社 《EDA技术及应用》谭会生，张昌凡 编著 西安电子科技大 学出版社 《CPLD/FPGA的开发与应用》徐光辉 徐志军 编著电子工业 出版社 • 相关的网站：

EDA应用技术 硬件描述语言Verilog HDL

第3章硬件描述语言Verilog HDL EDA应用技术EDA应用技术3.1 引言3.1 引言内容概要3.1 引言 3.1 引言3.1 引言形式化地表示电路的行为和结构；3.2 Verilog HDL基本结构内容概要3.2 Verilog HDL基本结构 3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构 3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构[例3.2.5¾Verilog HDLendmodule声明语句中。

模块是可以进行层次嵌套的。

3.2 Verilog HDL基本结构 3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构 3.2 Verilog HDL基本结构Verilog3.2 Verilog HDL基本结构 3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构Verilog3.2 Verilog HDL基本结构3.2 Verilog HDL基本结构HDL语言描述的“东西”都通过其名字来识别，3.2 Verilog HDL基本结构六、编写Verilog3.2 Verilog HDL基本结构1语汇代码的编写标准3.2 Verilog HDL基本结构1语汇代码的编写标准（续）3.2 Verilog HDL基本结构2综合代码的编写标准3.2 Verilog HDL基本结构（6）描述组合逻辑的always块，一定不能有不完全赋值，即所有输出变2综合代码的编写标准（续1）3.2 Verilog HDL基本结构（10）避免生成不想要的触发器。

2综合代码的编写标准（续2）3.2 Verilog HDL基本结构2综合代码的编写标准（续3）3.2 Verilog HDL基本结构2综合代码的编写标准（续4）3.3 数据类型及常量、变量内容概要3.3 数据类型及常量、变量一、数据类型3.3 数据类型及常量、变量（1）3.3 数据类型及常量、变量8’b1001xxxx8’b1010zzzz3.3 数据类型及常量、变量（3）3.3 数据类型及常量、变量3.3 数据类型及常量、变量（4）parameter常量（符号常量）3.3 数据类型及常量、变量 3.3 数据类型及常量、变量：利用特殊符号“#”3.3 数据类型及常量、变量3.3 数据类型及常量、变量三、变量1. nets型变量定义——输出始终随输入的变化而变化的变量。

硬件描述语言第二讲


2008-09~2008.12
数据对象（4）
对象的赋值规则： 可用函数调用的方法给对象赋初值。
CONSTANT Bus－number：Integer :＝My_function(True，6)； 如果在同一个对象说明语句中，对多个同一类型的对象指定初始值，
则多个对象同时取得了这一指定值。 信号和变量的默认值。当信号和变量没有指定初始值或没有给信号变
2008-09~2008.12
第2讲： VHDL的基本元素
1 标识符 2 数据对象 3 数据类型 4 操作符 5 端口模式
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1 标识符
标识符规则是VHDL语言中符号书写的一般规则。不仅对电 子系统设计工程师是一个约束，同时也为各种各样的EDA 工具提供了标准的书写规范，使之在综合仿真过程中不生 产生歧义，易于仿真。
数据对象（3）
对象说明的一般书写格式为：
对象类别 标识符表：子类型标识[:＝ 初值]；
对象说明举例：
CONSTANT T1，T2：time :＝30ns，--常量说明
VARIABLE SUM：read；
--变量说明
SIGNAL CLOCK：bit；
--信号说明
FILE input：Text IS IN “STD_INPUT” --文件说明
CONSTANT 常数名：数据类型:＝表达式； 根据上面的格式，举例如下： 8位寄存器宽度指定： CONSTANT width：integer:＝8； 设计实体的电源供电电压指定： CONSTANT Vcc：real:＝5.0； 某一模块信号输入/输出的延迟时间： CONSTANT DALY：time:＝100ns；

硬件描述语言第03讲


例：完成四位加法器的设计。方法：首先设计一位全加器 fulladder，再利用component元件语句调用，构造四位加法器。 全加器，输入信号a, b和c，进位输出carry，和输出sum，信号 顺序为a, b, c, carry, sum。全加器fulladder设计如下：
library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity fulladder is port (a, b, c: in std_logic; carry, sum: out std_logic); end fulladder; architecture a of fulladder is begin sum<=a xor b xor c; carry<=(a and b) or (a and c) or (b and c); end a;
2.1进程（process）语句
进程：在结构体中用来描述特定电路功能的程序模块，它提 供了一种用顺序语句描述电路逻辑功能的方法。一个结构 体可有多个process并行运行。 进程的特点： 1、多个进程之间的并行性；
2、进程内部的顺序性；
3、敏感信号变化启动进程，敏感信号稳定不变进 程不启动；
4、进程之间可以通信
12/13学年第1学期
硬件描述语言及器件
主讲教师：苏淑靖
教材：侯伯亨，顾新. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计.
教学安排

第1讲：VHDL概述及其基本结构


第2讲：VHDL的基本元素
第3讲：VHDL的结构体描述 ，进程


第4讲：VHDL的并行语句

融合硬件描述语言提高设计数字电路能力

融合硬件描述语⾔提⾼设计数字电路能⼒0引⾔随着专⽤集成电路中可编程逻辑器件的发展，新的数字系统设计正愈来愈多地采⽤可编程逻辑器件实现[1-2]。

因此，可编程逻辑器件代表了现代数字技术的发展⽅向[3]。

随着现代电⼦技术和信息技术的飞速发展，数字电路已从简单的电路集成⾛向数字逻辑系统集成，即把整个数字逻辑系统制作在⼀个芯⽚上（SOC）。

随着可编程逻辑器件的⼴泛应⽤，硬件描述语⾔（Hard Description Language，HDL）已成为数字系统设计的主要描述⽅式[4-5]。

采⽤硬件描述语⾔对数字系统进⾏描述是现代数字系统设计的发展⽅向，掌握硬件描述语⾔⼗分必要。

⽬前较为流⾏的硬件语⾔有VHDL、Verilog HDL等。

由于硬件描述语⾔描述电路具有许多优点，本⽂提出在数字电路的教学中，融合硬件描述语⾔进⾏数字电路的描述，便于提⾼对数字电路的理解，且能够提⾼创新设计能⼒[6]。

1硬件描述语⾔的优点（1）采⽤⾃上⾄下的设计⽅法数字系统已经发展到超⼤规模集成电路⽅向。

过去设计采⽤分离元件和⼩规模集成电路的设计⽅法是积⽊式的⽅式，先进⾏组合“试错”。

⽽采⽤硬件描述语⾔的⽅法则可以在开始从全局描述数字系统功能，即采⽤⾃顶层向下层设计的⽅法。

（2）设计的系统采⽤ASIC芯⽚实现采⽤硬件描述语⾔设计的数字系统可以通过可编程芯⽚或专⽤芯⽚（ASIC）来实现，⽅便修改功能和升级设计，⼤⼤提⾼了灵活性。

⽽采⽤分离元件或⼩规模集成电路的设计⽅法则是使⽤固定的器件，⽆法对器件功能进⾏改造。

（3）设计中存在的问题发现和修改容易采⽤硬件描述语⾔进⾏设计，在设计中可以借助EDA⼯具在早期发现问题，且修改程序⾮常容易。

⽽采⽤分离器件或⼩规模器件的积⽊设计⽅法,则是在设计完成后才能实验，且⼀旦发现设计问题，修改设计⽅案和分离器件不太⽅便，且修改后⼜必须全部设计完成才能再次实验，因⽽灵活性差。

（4）降低了硬件设计的难度采⽤硬件描述语⾔对数字系统进⾏设计，设计⼈员可以专⼼于数字逻辑功能和语⾔的语法规则，⽽可以不必掌握数字硬件芯⽚的内部结构，⼤⼤降低了硬件的设计难度。

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