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1 概述
HDL（VHSIC Hardware Description Language）是一種硬件描述語(yǔ)言，主要用于描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和功能。它是一種用于硬件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言，能夠幫助工程師們更好地描述和設(shè)計(jì)數(shù)字電路，并且廣泛應(yīng)用于FPGA和ASIC設(shè)計(jì)中。
在VHDL中，一個(gè)設(shè)計(jì)被描述為一個(gè)實(shí)體（entity），它包含了輸入輸出端口的描述。實(shí)體也包含了該設(shè)計(jì)的行為（behavior）的描述。 此外，VHDL還包括了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（standard library）和數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)（numeric package）等。
VHDL的基本語(yǔ)法包括關(guān)鍵字、標(biāo)識(shí)符、注釋、數(shù)據(jù)類(lèi)型（如std_logic、integer等）、變量聲明、信號(hào)聲明、過(guò)程語(yǔ)句、并行操作符等。
以下是VHDL的一些基本特性和語(yǔ)法：
實(shí)體聲明（Entity Declaration）：實(shí)體（entity）是一個(gè)設(shè)計(jì)的接口和規(guī)范，描述了設(shè)計(jì)的輸入和輸出信號(hào)。在實(shí)體聲明中，可以指定設(shè)計(jì)的接口和端口類(lèi)型。
架構(gòu)（Architecture）：架構(gòu)是實(shí)體的行為和功能描述。它包括了組件實(shí)例化、信號(hào)聲明、過(guò)程語(yǔ)句等。在架構(gòu)中，可以描述設(shè)計(jì)的邏輯和數(shù)據(jù)流動(dòng)。
信號(hào)（Signal）和變量（Variable）：在VHDL中，信號(hào)用于描述設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)傳輸，而變量通常用于描述局部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。信號(hào)和變量的作用在于描述設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)流動(dòng)和數(shù)據(jù)處理。
過(guò)程（Process）：過(guò)程描述了設(shè)計(jì)中的行為和邏輯。過(guò)程可以包括對(duì)信號(hào)和變量的操作、時(shí)序邏輯的描述等。
循環(huán)（Loop）：VHDL中也包括了循環(huán)語(yǔ)句，用于描述設(shè)計(jì)中的重復(fù)操作。
總的來(lái)說(shuō)，VHDL是一門(mén)強(qiáng)大的硬件描述語(yǔ)言，能夠幫助工程師們進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和描述。通過(guò)VHDL，工程師們可以更好地理解和描述設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和行為，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然VHDL的語(yǔ)法可能對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)有一定的復(fù)雜性，但一旦熟悉了其基本特性和語(yǔ)法，將會(huì)成為非常有用的工具。
library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; entity ExampleModule is port( clk, reset : in std_logic; input1, input2 : in std_logic_vector(7 downto 0); output1 : out std_logic_vector(7 downto 0) ); end ExampleModule; architecture Behavioral of ExampleModule is component SubModule is port( a, b : in std_logic_vector(7 downto 0); c : out std_logic_vector(7 downto 0) ); end component; signal intermediate : std_logic_vector(7 downto 0); begin SubModule_inst : SubModule port map( a => input1, b => input2, c => intermediate ); process(clk, reset) begin if reset = '1' then output1 <= (others => '0'); elsif rising_edge(clk) then output1 <= intermediate; end if; end process; end Behavioral;
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2 樣例
按鍵消抖
設(shè)計(jì)文件：
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library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
entity debouncing is
generic(N: integer := 10);
port(clk: in std_logic;
rst: in std_logic;
u: in std_logic;
delay : in std_logic_vector(N-1 downto 0);
y: out std_logic);
end debouncing;
architecture arch of debouncing is
type state_type is (zero, wait0, wait1, one);
signal state, state_n: state_type;
signal cnt, cnt_n: unsigned(N-1 downto 0);
begin
-- state register
process(clk,rst)
begin
if (rst='1') then
state <= zero;
cnt <= (others => '0');
elsif (rising_edge(clk)) then
state <= state_n;
cnt <= cnt_n;
end if;
end process;
-- next-state/output logic
process(state,u,cnt,delay)
begin
state_n <= state;
cnt_n <= (others => '0');
case state is
when zero =>
y <= '0';
if u= '1' then
state_n <= wait0;
end if;
when wait0 =>
y <= '0';
-- check next state
if u = '0' then
state_n <= zero;
elsif cnt = unsigned(delay) then
state_n <= one;
end if;
-- increment counter
cnt_n <= cnt + 1;
when wait1 =>
y <= '1';
-- check next state
if u = '1' then
state_n <= one;
elsif cnt = unsigned(delay) then
state_n <= zero;
end if;
-- increment counter
cnt_n <= cnt + 1;
when one =>
y <= '1';
if u= '0' then
state_n <= wait1;
end if;
end case;
end process;
end arch;
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按鍵消抖仿真文件：
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ibrary ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
entity debouncing_tb is
end debouncing_tb;
architecture tb of debouncing_tb is
constant N: integer := 8;
signal delay: std_logic_vector(N-1 downto 0);
signal u, y,z : std_logic;
signal clk, rst : std_logic;
-- Clock period definitions
constant Ts : time := 10 ns;
begin
db0 : entity work.debouncing
generic map(N => N)
port map (clk => clk,
rst => rst,
delay => delay,
u => u,
y => y);
-- Clock process definitions
process
begin
clk <= '0';
wait for Ts/2;
clk <= '1';
wait for Ts/2;
end process;
stimuli : process
begin
rst <= '1';
u <= '0';
delay <= (others => '0');
wait for 5*Ts;
rst <= '0';
delay <= std_logic_vector(to_unsigned(20,N));
u <= '1';
wait for 3*Ts;
u <= '0';
wait for 5*Ts;
u <= '1';
wait for 10*Ts;
u <= '0';
wait for 3*Ts;
u <= '1';
wait for 25*Ts;
u <= '0';
wait for 2*Ts;
u <= '1';
wait for 5*Ts;
u <= '0';
wait for 25*Ts;
wait;
end process;
end tb;
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3 常用編寫(xiě)
時(shí)序邏輯：
在 VHDL 中，時(shí)序邏輯指的是描述在特定時(shí)鐘信號(hào)的邊沿或狀態(tài)變化下發(fā)生的操作。時(shí)序邏輯可以包括使用 rising_edge 或 falling_edge 函數(shù)來(lái)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿，以及使用 wait for 語(yǔ)句來(lái)控制時(shí)序行為。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，說(shuō)明了時(shí)序邏輯的基本用法：
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architecture Behavioral of ExampleModule is
begin
process (clk)
begin
if rising_edge(clk) then
-- 在時(shí)鐘上升沿執(zhí)行的操作
-- 例如，更新寄存器、執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移等
end if;
end process;
end architecture Behavioral;
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在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)處理時(shí)鐘信號(hào) clk 的過(guò)程。使用 if rising_edge(clk) then 表示當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)執(zhí)行操作。在這個(gè)邏輯塊中，你可以更新寄存器、執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移等與時(shí)鐘相關(guān)的操作。這種時(shí)序邏輯的描述允許你根據(jù)特定時(shí)鐘信號(hào)的變化來(lái)控制設(shè)計(jì)的行為。
時(shí)序邏輯在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中非常重要，因?yàn)樗軌虼_保設(shè)計(jì)在特定時(shí)鐘信號(hào)的控制和同步下正確運(yùn)行。通過(guò)使用時(shí)序邏輯，可以將設(shè)計(jì)的行為明確地與時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的同步邏輯。
VHDL組合邏輯：
在 VHDL 中，組合邏輯是指在不涉及時(shí)鐘信號(hào)的條件下，根據(jù)輸入直接計(jì)算輸出的邏輯部分。通常，組合邏輯描述了在給定輸入條件下的輸出行為，而且輸出立即對(duì)輸入進(jìn)行響應(yīng)，不依賴(lài)于時(shí)鐘的邊沿。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，說(shuō)明了組合邏輯的基本用法：
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-- 一個(gè)簡(jiǎn)單的 2:1 多路選擇器的組合邏輯
entity Mux2x1 is
port (
sel: in std_logic;
a, b: in std_logic;
y: out std_logic
);
end entity Mux2x1;
architecture Behavioral of Mux2x1 is
begin
process (sel, a, b)
begin
if sel = '0' then
y <= a;
else
y <= b;
end if;
end process;
end architecture Behavioral;
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在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 Mux2x1 的實(shí)體，該實(shí)體具有三個(gè)輸入端口 sel、a 和 b 以及一個(gè)輸出端口 y。在 Behavioral 架構(gòu)中的處理過(guò)程中，我們使用 if 語(yǔ)句來(lái)根據(jù)輸入信號(hào) sel 的值選擇輸出的值。這是一個(gè)典型的組合邏輯，因?yàn)檩敵?y 的值是僅僅依賴(lài)于當(dāng)前輸入信號(hào)的狀態(tài)而計(jì)算出來(lái)的，不涉及時(shí)鐘或者時(shí)序控制。
組合邏輯在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，它描述了電路在給定輸入下的輸出行為，沒(méi)有涉及時(shí)鐘控制或時(shí)序邏輯。
case語(yǔ)句：
當(dāng)需要根據(jù)輸入的不同值采取不同的操作時(shí)，可以使用VHDL中的case語(yǔ)句。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的VHDL case語(yǔ)句的示例：
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process (input)
begin
case input is
when "00" =>
-- 對(duì)輸入為 "00" 執(zhí)行的操作
output <= "0000";
when "01" =>
-- 對(duì)輸入為 "01" 執(zhí)行的操作
output <= "0011";
when "10" =>
-- 對(duì)輸入為 "10" 執(zhí)行的操作
output <= "1100";
when others =>
-- 對(duì)其他輸入情況下執(zhí)行的操作
output <= "1111";
end case;
end process;
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在這個(gè)例子中，我們?cè)谝粋€(gè)process中使用了case語(yǔ)句來(lái)根據(jù)輸入的不同情況執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)輸入信號(hào)input的值滿(mǎn)足某個(gè)條件時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出output會(huì)被賦予相應(yīng)的值。 “when others” 表示當(dāng)輸入值不滿(mǎn)足前面列舉的情況時(shí)執(zhí)行的操作。
這個(gè)例子展示了VHDL中使用case語(yǔ)句進(jìn)行條件判斷和執(zhí)行不同操作的方法。
狀態(tài)機(jī)：
在 VHDL 中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)（state machine）通常是通過(guò)組合邏輯和時(shí)序邏輯相結(jié)合的方式來(lái)完成的。狀態(tài)機(jī)描述了一個(gè)系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的行為，通常會(huì)隨著輸入信號(hào)的變化而轉(zhuǎn)換狀態(tài)。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，說(shuō)明了一個(gè)基本的有限狀態(tài)機(jī)在 VHDL 中的實(shí)現(xiàn)：
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library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity SimpleFSM is Port ( clk : in STD_LOGIC; reset : in STD_LOGIC; input : in STD_LOGIC; output : out STD_LOGIC); end SimpleFSM; architecture Behavioral of SimpleFSM is type state_type is (s0, s1, s2, s3); signal state, next_state : state_type; begin process (clk, reset) begin if reset = '1' then state <= s0; -- 在復(fù)位時(shí)將狀態(tài)設(shè)置為初始狀態(tài) elsif rising_edge(clk) then state <= next_state; -- 在時(shí)鐘的上升沿根據(jù)下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)更新 end if; end process; process (state, input) begin case state is when s0 => if input = '1' then next_state <= s1; -- 根據(jù)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)移至下一個(gè)狀態(tài) else next_state <= s0; -- 如果輸入信號(hào)不滿(mǎn)足條件，保持在當(dāng)前狀態(tài) end if; when s1 => if input = '0' then next_state <= s2; else next_state <= s1; end if; when s2 => if input = '1' then next_state <= s3; else next_state <= s2; end if; when s3 => next_state <= s0; when others => next_state <= s0; end case; end process; end Behavioral;
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在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 SimpleFSM 的實(shí)體，該實(shí)體包括了時(shí)鐘信號(hào) clk、復(fù)位信號(hào) reset、輸入信號(hào) input 和輸出信號(hào) output。狀態(tài)機(jī)的行為由 state 和 next_state 信號(hào)來(lái)描述。在第一個(gè) process 中，我們根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)來(lái)更新 state 的值，以此來(lái)控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。在第二個(gè) process 中，我們根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和輸入信號(hào)來(lái)計(jì)算下一個(gè)狀態(tài) next_state。這個(gè)狀態(tài)機(jī)描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入序列檢測(cè)過(guò)程，根據(jù)輸入序列的不同，狀態(tài)機(jī)將在不同的狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。這是一個(gè)基本的有限狀態(tài)機(jī)的例子，通過(guò)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的行為。
時(shí)鐘信號(hào)編寫(xiě)：
a）占空比為50%
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constant PERIOD : time :=; --定義時(shí)鐘周期 --使用after語(yǔ)句 CLK <= not CLK after PERIOD/2; --使用wait語(yǔ)句 constant PERIOD : time := ; CLK <= '0'; wait for PERIOD/2; CLK <= '1'; wait for PERIOD/2;
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b）非50%占空比
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constant DUTY_CYCLE : real :=; --定義占空比系數(shù) constant PERIOD : time := ; --定義時(shí)鐘周期 --使用after語(yǔ)句 CLK <= '1' after (PERIOD - (PERIOD * DUTY_CYCLE)) when CLK = '0' else '0' after (PERIOD * DUTY_CYCLE); --使用wait語(yǔ)句 CLK <= '0'; wait for (PERIOD - (PERIOD * DUTY_CYCLE)); CLK <= '1'; wait for (PERIOD * DUTY_CYCLE);
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c）差分端口占空比為50%
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constant PERIOD : time :=; --設(shè)置時(shí)鐘周期 --使用after語(yǔ)句 CLK_P <= not CLK_P after PERIOD/2; CLK_N <= not CLK_N after PERIOD/2; --使用wait語(yǔ)句 CLK_P <= '0'; CLK_N <= '1'; wait for PERIOD/2; CLK_P <= '1'; CLK_N <= '0'; wait for PERIOD/2;
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延時(shí)：
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constant SIM_TIME : time := 10 ms; --設(shè)置仿真時(shí)間SIM_TIME, 時(shí)間為10ms<= after SIM_TIME; --信號(hào)在SIM_TIME后進(jìn)行賦值 wait on ; --延時(shí)到信號(hào)有變化 wait until falling_edge( ); --延時(shí)到信號(hào)的下降沿到來(lái) wait until rising_edge( ); --延時(shí)到信號(hào)的上升沿到來(lái) wait until = ; --延時(shí)到信號(hào)變化到指定值
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循環(huán)：
a) loop語(yǔ)句
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loop CLK <= not CLK; wait for PERIOD/2; ifthen exit; end if; end loop;
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b) for語(yǔ)句
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forin to loop ; ; end loop;
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c)while語(yǔ)句
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whileloop ; ; end loop;
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審核編輯：黃飛
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評(píng)論