《Xilinx FPGA设计基础》课件第3章.ppt

第3章VHDL硬件描述语言

第3章VHDL硬件描述语言

3.1VHDL的历史和概况

3.2VHDL基本设计思想

3.3VHDL语言设计的基本单元

3.4VHDL语言的对象和数据类型

3.5VHDL语言运算操作符

3.6VHDL语言的描述语句

3.7VHDL的层次结构设计

3.8有限状态机(FSM)

第3章VHDL硬件描述语言

3.1VHDL的历史和概况

VHDL是VHSIC硬件描述语言(VHSICHardware

DescriptionLanguage)的缩写，而VHSIC又是超高速集成电

路(VeryHigh-SpeedIntegratedCircuit)的缩写。从这个缩写我

们大致可以看出VHDL语言的起源和目的。

VHDL是1980年在美国国防部的指导下开发的，于1983

年完成。1987年被美国国防部和IEEE确定为标准的硬件描

述语言，形成的标准为IEEE1076。当初开发这种语言是出

于美国国防部采购电子设备的需要。美国军队的装备是向私

人企业采购的，如果武器大量装备部队，而其中某个供应商

在几年后倒闭了，那这种武器的维修保养和再生产就会出现

第3章VHDL硬件描述语言

大问题。而这些电子设备，尤其是超高速集成电路的内部结

构很复杂，如果出现了这种问题要找其他公司生产代用品就

非常困难。因此，美国国防部希望供应商能留下其产品的信

息，以保证其一旦破产能由其他厂商迅速生产出代用品。由

于涉及商业机密和知识产权的问题，供应商不会提供最初的

设计文档，于是美国国防部就提出了一种折中的方法，即硬

件描述语言，也就是VHDL。供应商要用VHDL把自己生产

的集成电路芯片的行为描述出来，例如从芯片的哪个管脚输

入什么样的信号，过多长时间能输出什么样的信号等。这样，

如果需要其他厂商生产代用品，只需要按照VHDL文档，设

计行为与其相同的芯片即可。

第3章VHDL硬件描述语言

VHDL当初是为了描述芯片的行为，而并不是为了设计

硬件而开发的，因此IEEE1076-1987标准在模型描述方面非

常详尽，但在综合方面它只定义了一些很宽泛的参数，在工

程实现中有很大的难度。1993年，IEEE修订了VHDL标准，

新标准相对于87版本有了很大的改进。93版本的VHDL是目

前应用最广泛的版本，很多厂商的综合工具都支持这一标准。

IEEE规定其标准必须每五年修订一次，因此VHDL还有很多

后续版本，如2000版，但这些版本并没有修订多少内容。

第3章VHDL硬件描述语言

3.2VHDL基本设计思想

从VHDL的字面含义可以看出，VHDL语言着重于描述。

通过描述芯片的输入/输出、结构和行为等，使工程师能从

概念上对芯片有一个完整的了解。描述的目的是要传递信息，

通常意义下的描述是一个非常灵活的过程，例如口述、打手

势、书面陈述等，但每个人的表达方式和理解方式不同，这

些方法都无法或很难准确无误地传递要表达的信息。因此，

工程化的描述都采用规范的语言形式，用严格的语法结构限

定描述的内容，VHDL也不例外。

第3章VHDL硬件描述语言

VHDL只是给工程师提供了一个描述规范，用这种规范

进行描述可以使众多工程师之间传递信息更加简洁、准确。

学习VHDL就是学习如何利用这些规范进行描述，因此，我

们在学习VHDL之前，要在思维中假想一个现成的芯片，学

习的过程中，对照芯片不断完善对芯片的描述。

VHDL不仅可以对芯片的接口和行为参数做详尽的描述，

而且可以作为一门编程语言对可编程逻辑器件进行编程配置。

目前，可编程逻辑器件的EDA工具都支持以VHDL代码作为

工程设计的输入。

VHDL语言语法简单，结构明晰，可以满足工程设计中

的各种需求。

第3章VHDL硬件描述语言

1)用编程的方式描述设计的功能

在2.2节的实验中，我们已经初步接触了VHDL语言程

序。VHDL程序的设计方法与其他编程语言的设计方法很相

似，工程师可以用编程的思想完成FPGA的电路设计。这对

于熟悉Pascal或C语言的工程师来说相当方便。

2) VHDL支持工程设计的结构化描述

一般在硬件电路设计中，采用自底向上的设计方式，即

先设计构成系统的各个组成模块，明确模块的端口和时序，

然后设计模块之间的互联关系，组成整个系统。

第3章VHDL硬件描述语言