第3章 VHDL语言基础

4位计数器
module count4(out,reset,clk);
output[3:0] out;
input reset,clk; reg[3:0] out; always @(posedge clk) begin if(reset) out<=0; //同步复位 else end endmodule out<=out+1; //计数
第三章 硬件描述语言HDL Hardware Description Language
第一节
概述
常用的硬件描述语言有： VHDL：Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language
超高速集成电路硬件描述语言
Verilog:Cadence公司开发
还需要注意的是，LIBRARY语句和USE语句的作 用范围只限于紧跟其后的实体及其结构体。因此，如 果一个程序中有一个以上的实体，则必须在每个实体
的前面分别加上LIBRARY语句和USE语句，说明各实
体及其结构体需要使用的库和程序包。
2.实体说明 ENTITY nand_2 IS PORT ( a，b：IN STD_LOGIC； y：OUT STD_LOGIC)； END nand_2； 语法： ENTITY 实体名 IS PORT[端口说明]； END 实体名；
ABEL（Advanced Boolean Hardware Description, 高级布尔方程语言） :Lattice公司 AHDL（Analog模拟硬件描述语言）: Altera公司
第二节
VHDL的基本结构
通过与非门的逻辑描述，阐述VHDL的基本结构
y a b
nand_2 a b y
端口说明语句描述实体的外部接口情况，不管内部功
能如何只描述它的输入和输出接口信号。一般格式为：
PORT（端口信号名，端口信号名… : 端口模式 数据类型； 端口信号名，端口信号名… : 端口模式 数据类型）；
端口信号名：赋给每个输入输出接口的名称
端口模式：说明信号的输入和输出方式，IN，OUT
INOUT，buffer, INOUT：在输出的同时可以自己读取，同时也可以
IS
BEGIN
q<= ( d0 AND sel ) OR ( NOT sel AND d1 ); END dataflow; “<=”表示赋值关系。 逻 辑 运 算 符 包 括 ： AND( 与 ) ， OR( 或 ) ， NAND( 与非 ) ， NOR( 或非 ) ， XOR( 异或 ) ， NOT(非)。
目前在VHDL语言中，常用的主要有以下几种库： IEEE库、 STD库、 WORK库、用户库 最常用的资源库是IEEE库，常用的程序包 STD_LOGIC_1164：常用的数据类型（std_logic,std_logic_vector),各
种类型转换函数及逻辑运算。
STD_LOGIC_ARITH：定义了无符号unsigned、有符号数signed数
第三节 VHDL结构体的子结构
(2) STD库
是VHDL的标准库，含有称为 (3)WORK库 STANDARD的标准程序包， 其中定义了多种常用的数据类
型，均不加说明便可直接引用。
（4)自定义库 另一个程序包TEXTIO(文本文 件输入/输出)，则需经说明后 方可使用。
WORK库和STD库
(2) STD库
(3)WORK库
总会被自动打开。
1 RS触发器
端口数据类型：
(1)标准数据类型，如：整数、实数，位，位矢量等。
(2)IEEE标准数据类型，标准逻辑位STD_LOGIC、标 准逻辑矢量STD_LOGIC _VECTOR。 (3)用户自定义的数据类型，如枚举型、数组类型、文 件(FILE)类型、记录(RECORD)类型等。
据类型，相应的算术运算； unsigned， signed和integer之间的转换函数。
STD_LOGIC_UNSIGNED， STD_LOGIC_SIGNED：
定义了可用于integer和std_logic,std_logic_vector数据类型混合运算的运算符，
由std_logic_vector型到integer型的转换函数。
Nand_2实体说明

结构体
BEGIN y <= NOT (a AND b)；
END rtl；
1. 库说明
LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
语法： library 库名
use 库名.程序包名.项目名：
库是用VHDL语言编写的源程序及其通过编译 的数据集合，它由各种程序包组成，程序包提供了 各种数据类型、函数的定义以及各种类型转换函数 及运算等，以供给设计者使用。
是当前作业库，设计人员设计的
（4)自定义库 VHDL语言程序的编译结果不需 要任何说明，都将要存放在work 库中。Work库可以是设计者个人 使用，也可提供给设计组多人使
用
(2) STD库
由用户自己创建。设 (3)WORK库 计者可以把一些自己 需要经常使用的非标
准(一般是自己开发
（4)自定义库 的)包集合和实体等 汇集成库，作为对 VHDL标准库的补充。
library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all;----由std_logic_vector转换成integer; entity countA is port(clk,clr,en: in std_logic; QA,QB,QC,QD:out std_logic); end countA; architecture exampleA of countA is signal count_4:std_logic_vector(3 downto 0); begin QA<=count_4(0); QB<=count_4(1); QC<=count_4(2); QD<=count_4(3); process(clk,clr) begin if(clr='1')then count_4<="0000"; elsif (clk'event and clk='1')then if (en='1')then if(count_4="1111")then count_4<="0000"; else count_4 <=count_4+1; end if; end if; end if; end process; end exampleA;
作为其它端口的输入。 如RAM的数据口、单片机的I/O口。
Buffer：缓冲端口，其功能与inout类似， 但是当作为输入用时，输入的信号不是从外部输 入，而是由内部产生向外输出的信号。即内部回 读自身向外产生的信号，即允许反馈。 如将计数器输出的计数信号回读，作为下一 个计数值的初值。
【例1】 以如图1所示的RS触发器为例，定义如下： ENTITY rsff IS PORT ( set, reset: IN BIT; q, qb: BUFFER BIT ); END rsff ;
类属参数说明 类属参数说明必须放在端口说明前面，用于 指定参数。类属参数说明的一般格式为： GENERIC (常数名：数据类型 [：设定值])；
在门级模型中，可以使用类属参数指定延迟时间 参数。 例如在结构体内出现语句：
GENERIC ( m: TIME : = 1ns)
Temp1:= do AND sel AFTER m； 表示do和sel相与后，经过1 ns延迟才送到Temp1。 ( 当 然 ， 时 间 单 位 可 以 取 fs(1 ps=1000 fs ， 1 ns=1000 ps)、(s、ms、sec、min、hr等)。
If 条件 then 顺序语句1; Else 顺序语句2; End if;
注意在VHDL语言中不区分大小写
时钟信号上升沿和下降沿的表示 (1) 表示一个上升沿时钟clk： clk ′EVENT AND clk ='1';
rising_edge(clk)
(2) 表示一个下降沿时钟clk： clk ′EVENT AND clk ='0';
inst
在程序设计中，要求实体名与存储的文件名一致
IEEE库使用说明
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
LIBRARY IEEE； ENTITY nand_2 IS PORT ( a，b：IN STD_LOGIC； 端口说明，用以 描述器件的接口 y： OUT STD_LOGIC)； END nand_2； ARCHITECTURE rtl OF nand_2 IS
CLR
CLR
QA
d0
CLK
QB CLK QC
d1 d2 d3
EN
EN QD countA
IF语句的格式：
IF <条件1> THEN 顺序处理语句1； ELSIF <条件2> THEN 顺序处理语句2； …… ……. ELSE 顺序处理语句3； END IF;
If 条件 then 顺序处理语句; end if;
d0
q
d1 sel
图 二选一器件的电路原理图 【例】 编写描述一个二选一器件(如图所示)的程 序。 ENTITY mux IS PORT ( d0, d1: IN BIT; sel: IN BIT; q: OUT BIT ); END mux ;
ARCHITECTURE
dataflow OF mux