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第12章VHDL和FPGA设计12.1概述12.2VHDL基本知识12.3上机指导12.1概述ProtelDXP提供了一个高效的硬件描述语言的设计工具，它支持两种不同方式的设计：既可以使用VHDL语言来直接编写文件，也可以通过绘制原理图直接编译成VHDL文件。用语言的方式而非图形等方式描述硬件电路，容易修改，容易保存。VHDL和Verilog都被IEEE公布为工业标准，是目前最为流行的硬件描述语言。12.2VHDL基本知识12.2.1VHDL程序基本结构12.2.2VHDL程序实体和结构体12.2.3VHDL程序包和设计库12.2.4VHDL配置指定12.2.5VHDL对象及其数据类型12.2.6VHDL表达式与运算操作符12.2.7VHDL子程序12.2.8VHDL顺序描述语句12.2.9VHDL并行描述语句12.2.10VHDL程序举例12.2.11VHDL小结12.2.1VHDL程序基本结构VHDL把一个任意复杂度的电路模块的模型视作一个单元。在VHDL中，元件由设计单元定义，设计单元由实体声明部分entity和结构体部分architecture组成。一个单元只有一个设计实体，而结构体的个数不限。实体声明部分提供该设计单元的公共信息：名称，端口信息和类属参数；而结构体则用于定义该设计单元的内部操作特性。一个设计实体和某一特定的结构体合起来共同定义一个元件模型。如图12.1所示。图12.1VHDL语言程序设计基本结构12.2.2VHDL程序实体和结构体VHDL提供层次化结构描述的手段。一个电路系统用一个实体描述，组成该电路系统的每个元件实际上也是一个一个的实体。整个电路系统可以作为更大型电路系统的一个元件。实体的描述分两部分：实体声明（entity）和结构体（architecture）。实体声明定义实体的外部接口，结构体规定该实体的内部结构或行为。12.2.3VHDL程序包和设计库在一个大的设计中，某些数据可能要在多个实体中使用，这时应当在程序包中声明。引用程序包时，在编译单元之前添加下面的语句：use库名.包名.项目名；或use库名.包名.all；前面一句表示包中的指定项目可见（即可以引用）；后面一句的.all表示包中的所有项目都可见。12.2.4VHDL配置指定配置(Configuration)语句描述层与层之间的连接关系以及实体与结构体之间的连接关系。设计者可以利用这种配置语句来选择不同的构造体。在仿真某个实体时，可以利用配置来选择不同的构造体，进行性能对比实验以得到性能最佳的构造体。12.2.5VHDL对象及其数据类型VHDL有三类对象：信号、变量和常量。如表12.1所示。VHDL语言的每个对象都有一个类型，对象的类型在声明部分中确定。对象声明的一般形式是：对象类对象标识符：对象类型:＝初值表达式；对象标识符由一个标识符或由逗号(，)隔开的多个标识符组成。初值也可以不指定，系统默认其初值为类型定义中的最左边的值。表12.1VHDL的三类对象12.2.6VHDL表达式与运算操作符逻辑运算符:not（非）,and（与）,or（或）,nand（与非）,nor（或非）,xor（异或）,xnor（异或非）；算术运算符：+(正号)，-(负号)，abs(绝对值)，+（加），-（减）,*（乘）,/（除）,mod（取模）,rem（取余）,**（乘方），sll（逻辑左移）,sla（算术左移）,srl（逻辑右移）,sra（算术右移）,rol（逻辑循环左移）,ror（逻辑循环右移）；关系运算符：=（等于），≠（不等于），（小于），（大于），=（小于等于），=（大于等于）；连接运算符：&（连接）12.2.7VHDL子程序VHDL提供两种子程序：过程和函数。过程与函数的区别在于：过程调用是一个语句，函数调用则是表达式的一部分。VHDL中子程序的定义分为两部分：声明部分与相应的子程序体。子程序体中的声明部分还可以包括另外的子程序声明和子程序体，形成子程序的嵌套。VHDL容许设计者自己定义子程序（过程和函数）。在VHDL描述的任何位置都可以对一个子程序进行重复调用。12.2.8VHDL顺序描述语句在用VHDL语言描述系统硬件行为时，按语句执行顺序对其进行分类，可以分为顺序描述语句和并行描述语句。1、顺序信号赋值语句2、变量赋值语句3、顺序控制语句4、其他顺序控制语句5、空语句null语句12.2.9VHDL并行描述语句1、进程语句2、简单并行语句3、复合并行语句4、元件例化语句12.2.10VHDL程序举例下面举一个N位加法器的VHDL程序例子，学生可结合前面所介绍的知识进行分析。在学完本节后，学生应该能够阅读分析一个简单的VHDL程序，同时应该能够根据功能要求设计编写一个简单的VHDL程序。略12.2.11VHDL小结VHDL语言主要从三方面描述一个电路系统或一个电路元件:(1)输入端口；(2)输出端口；(3)电路的行为和功能。VHDL既能描述硬件的结构，也能描述硬件的行为。行为描述的基本单元是进程语句，而结构描述的基本单元则是元件例化语句。设计者可以在任何层次上混合使用行为描述与结构描述。12.3上机指导（基于VHDL的FPGA设计）12.3.1现场可编程门阵列逻辑器件（FPGA）12.3.2怎样使VHDL程序变成实用电路12.3.3新建FPGA项目文件12.3.4新建VHDL文档12.3.5编译设计项目12.3.6原理图转换为VHDL文件12.3.7FPGA设计小结