现代电子技术-VHDL与数字系统设计.docx-道客多多

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1、高等学校电工电子实践系列现代电子技术 V H D L 与数字系统设计杨刚龙海燕编著Publish ing House of Electr on ics In dust ry北京 BEIJIN G内容简介本书作为现代电子技术课程教学的重要组成部分 , 将 V HDL 语言与数字系统设计有机地结合起来。书中第 1 章为 V H DL 语言基础 , 介绍 V H DL 的语句和语法 ; 第 2 , 3 章为组合电路、时序电路

2、的 V H DL 基础实验 , 使读者轻松入门并巩固数字电路基础知识 ; 第 4 章为状态机设计 ; 第 5 章为存储器设计 ; 第 6 章为 DSP 设计实例 ; 第 7 章为数字系统设计实例。全书共有 108 个设计范例 , 读者可结合 EDA 工具和 F P GA/ CPLD 开发系统进行实践 , 参照设计范例先做改动设计 , 逐渐熟悉 V HDL 开发后 , 就可独立设计出自己的源程序。本书可

4、龙海燕编著 .北京 : 电子工业出版社 , 2004 .4 (高等学校电工电子实践系列 )ISBN 7-5053-9812-1 .现 . . . . 杨 . . . 龙 . . . . 数字电路 - 电路设计 - 高等学校 - 教材硬件描述语言 , V H DL -程序设计 - 高等学校 - 教材 .TN79中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 2004) 第 028593 号策划编辑 : 章海涛责任编辑 : 王颖印刷 :出版发行 : 电子工业出

5、版社北京市海淀区万寿路 173 信箱邮编 100036经销 : 各地新华书店开本 : 787980 1/ 16 印张 : 21 字数 : 437 千字版次 : 2004 年 4 月第 1 版 2004 年 4 月第 1 次印刷印数 : 册定价 : 元凡购买电子工业出版社的图书 , 如有缺损问题 , 请向购买书店调换。若书店售缺 , 请与本社发行部联系。联系电话 : ( 010 )68279077。质量投诉请发邮件至 zlts ph ei

6、 .com .cn , 盗版侵权举报请发邮件至 dbqq ph ei .com .cn。前言V HDL 硬件描述语言是目前国内外数字系统的主流设计语言 , 也是现代电子技术发展的重要依托之一。随着片上系统 ( SOC ) 的不断推陈出新 , V H DL 的语言内涵也在向外延伸 , 现在已经有不少扩充子集支持 SOC 的开发。与此同时 , 各种 EDA 工具广泛支持 V HDL 的 I E E E 标准

7、, 并且近年来在 V HDL 建模、综合、仿真、测试和验证上都取得了较大突破。随着 FPG A/ CP LD 器件规模在千万门级基础上继续扩大 , 随着嵌入式微处理器 ( 如 A RM , Nios , M IPS) 迅猛发展 , V H DL 的应用也从传统的数字系统设计 , 扩展到超大规模集成电路设计、嵌入式系统设计当中 , 并在以通信、自动控制、计算机为代表的信息领域

8、中占据重要地位。基于 V H DL 的广泛应用和发展前景 , 近年来国内高校纷纷开设与 V HD L 相关的各种 EDA 教学。我校的 V H DL 教学开展也较早 , 通过这些年的教学和实践 , 我们深刻体会到借助 EDA 工具开展 V H DL 教学 , 对学生掌握数字电路基础知识 , 增强实践能力有事半功倍的效果。另外 , V H DL 教学作为信息类专业基础平台课开设 , 对

9、后续专业课程的学习有着重要的铺垫作用。例如 , 通过对状态机 V H DL 设计、存储器 V HD L 设计 , 对后续 “计算机组成原理” “、嵌入式系统设计” 和 “ 计算机控制系统” 等课程的学习而言 , 无疑是起着承上启下的作用 ; 又如 , 通过数字信号处理 ( DSP ) 的 V H DL 设计 , 对于后续 “ 信号与系统” “数字信号处理原理” 等课程而言 , V H DL 提供了

10、一种理论联系实际的桥梁 , 从而使老师教起来轻松 , 学生学起来有兴趣。感谢电子工业出版社将本书列入其规划出版的高等学校电工电子实践系列教材丛书中 , 同时也鞭策我们尽快地总结这些年来的教学经验 , 同时吸纳当前 EDA 技术进展 , 从而形成教材。经过我们艰苦而仔细的耕耘 , 本书得以按时完稿。在写作风格上 , 我们力图从实践角度入

11、手 , 没有拘泥于传统教学方式将 V HDL 当做一门语言课 ( 如 C 语言 ) 来教。读者翻开本书可以看到 , 本书实践部分共有 108 个设计范例 , 前面的范例是以数字电路各组成要素为主线 , 密切结合数字电路基础教学内容来安排的。对学生而言 , 有了一种比照的基础 , 就能轻松入门并动手操作 ; 对于 V H DL 的初学者而言 , 这样的安排 , 也能使其巩

12、固数字电路基础知识并理解 V H DL 基本组成模块的设计。在掌握 V H DL 基本设计以后 , 读者可以回过头来仔细阅读第 1 章 V H DL 语法 , 并结合实例操作。在这之后 , 本书安排有状态机设计、存储器设计、 DSP 设计以及数字系统设计实例 , 读者可结合EDA 工具和 F PGA/ C PLD 开发系统进行实践 , 参照设计实例先做改动设计 , 逐渐熟悉 V HDL

13、设计和仿真方法后 , 就可独立开发出自己的源程序了。本书由杨刚、龙海燕共同编著。四川省自动化仪表研究所所长、四川大学电气信息学院教授汪道辉先生担任本书主审 , 同时参加本书审稿工作还有四川大学电气信息学院的田远富教授、黄华教授、夏建刚副教授 , 感谢他们审阅全书 , 并提出宝贵意见。作者在编写过程中还得到四川大学电气

14、信息学院各位老师和领导的鼓励和支持 , 在此一并表示感谢 !本书不足之处 , 恳请读者批评指正。作者2004 年 1 月于四川大学目录第 1 章 VH DL 语言基础 11. 1 概述 11. 2 V H DL 程序结构 11. 2. 1 V H DL 程序的基本结构 11. 2. 2 实体 31. 2. 3 结构体 51. 2. 4 配置 71. 3 V H DL 的设计资源 101. 3. 1 库 101. 3. 2 程序包 121. 4 数据对象、

15、类型及操作符 151. 4. 1 V H DL 文字 161. 4. 2 V H DL 数据对象 171. 4. 3 V H DL 数据类型 191. 4. 4 V H DL 操作符 271. 4. 5 属性描述与定义语句 311. 4. 6 V H DL 描述方式 351. 5 V H DL 顺序语句 381. 5. 1 赋值语句 381. 5. 2 转向控制语句 401. 5. 3 等待语句 451. 5. 4 子程序调用语句 451. 5. 5 返回语句 461. 5. 6 空操作语

16、句 461. 5. 7 其他语句 471. 6 V H DL 并行语句 481. 6. 1 进程语句 491. 6. 2 块语句 521. 6. 3 并行信号赋值语句 551. 6. 4 并行过程调用语句 571. 6. 5 元件例化语句 581. 6. 6 生成语句 591. 7 子程序 611. 7. 1 函数 621. 7. 2 重载函数 651. 7. 3 过程 651. 7. 4 重载过程 66第 2 章组合逻辑电路基础实验 672. 1 基本门电路 672. 1. 1

17、基本门电路描述实验 672. 1. 2 V H DL 实验快速入门 682. 2 三态门 822. 3 总线缓冲器 842. 3. 1 单向总线缓冲器 842. 3. 2 双向总线缓冲器 862. 3. 3 74 H C245 双向总线缓冲器 872. 4 数据选择器 882. 4. 1 四选一数据选择器 1 882. 4. 2 四选一数据选择器 2 902. 4. 3 八选一数据选择器 912. 4. 4 八选一数据选择器的宏调用 922. 5 数

18、据分配器 932. 6 编码器 952. 6. 1 八 - 三优先编码器 1 952. 6. 2 八 - 三优先编码器 2 972. 6. 3 二 - 十进制优先编码器 982. 7 译码器 992. 7. 1 二 - 四译码器 992. 7. 2 三 - 八译码器 1012. 7. 3 两位 BCD - 七段静态 L ED 译码器 1022. 7. 4 十进制 - 二进制译码器 1042. 8 比较器 1052. 9 加法器 1072. 9. 1 半加器 1072. 9. 2 四位全加

19、器 1082. 9. 3 八位全加器 1092. 10 减法器 1102. 10. 1 半减器 1102. 10. 2 四位全减器 1112. 11 奇偶校验电路和数据检测器 1122. 11. 1 奇偶校验位发生器 1122. 11. 2 奇偶校验位检测器 1142. 12 移位器 1152. 13 补码生成电路 1172. 14 锁存器 1172. 15 算术逻辑单元 A L U 设计 1192. 15. 1 两位算术逻辑单元 A L U 设计 1192. 15. 2 带

20、进位四位算术逻辑单元 A L U 设计 121第 3 章时序逻辑电路基础实验 1253. 1 R S 触发器 1253. 2 T 触发器 1273. 3 J K 触发器 1283. 4 D 触发器 1303. 4. 1 D 触发器基本设计 1303. 4. 2 D 触发器宏调用 1333. 4. 3 三级 D 触发器延迟电路 1343. 5 寄存器 1353. 5. 1 n 位寄存器 1353. 5. 2 24 位寄存器 1373. 5. 3 24 位寄存器的 LPM 设计

21、1383. 5. 4 多种功能的寄存器设计比较 1403. 6 移位寄存器 1433. 6. 1 双向移位寄存器 1433. 6. 2 串入串出 ( SISO ) 移位寄存器 1443. 6. 3 串入并出 ( SIPO ) 移位寄存器 1463. 6. 4 并入串出 ( PISO ) 移位寄存器 1473. 7 异步计数器 1483. 8 同步计数器 1503. 8. 1 同步二十四进制计数器 1503. 8. 2 同步四十进制计数器 1523. 9 可逆

22、计数器 1543. 10 移存型计数器 1553. 10. 1 自启动格雷码钮环计数器 1553. 10. 2 移存型七进制计数器 1573. 11 模可变计数器 1593. 11. 1 离散模可变计数器 1593. 11. 2 模 256 以内任意可变计数器 1613. 12 分频器 1633. 12. 1 加法分频器 1633. 12. 2 减法分频器 1643. 12. 3 半整数分频器 1663. 12. 4 积分分频器 1673. 13 脉冲发生和

23、整形 1683. 13. 1 顺序脉冲发生器 1 1683. 13. 2 顺序脉冲发生器 2 1703. 13. 3 由 D 触发器构成的脉冲整形电路 1713. 13. 4 脉冲整形计数器 172第 4 章状态机设计 1754. 1 M oore 状态机 1754. 1. 1 简单的 Moore 状态机 1754. 1. 2 M oore 状态机设计比较 1774. 1. 3 采用 Moore 状态机设计计数器 1804. 2 Mealy 状态机 1834. 2. 1 采用 M

24、ealy 状态机设计计数器 1834. 2. 2 Mealy 状态机 1 1864. 2. 3 Mealy 状态机 2 1884. 3 特定序列脉冲发生器 1914. 4 循环彩灯控制器 1924. 5 交通灯控制器 1944. 5. 1 交通灯控制器 1 1944. 5. 2 交通灯控制器 2 197第 5 章存储器设计 2025. 1 R A M 2025. 1. 1 R A M 的 L PM 设计 2025. 1. 2 R A M 的快速定制 2045. 2 双口 R A M 2085.

25、 2. 1 简单的双口 R A M 设计 2085. 2. 2 单地址双口 R A M 的 L PM 设计 2105. 2. 3 双地址双口 R A M 的 L PM 设计 2125. 2. 4 双口 R A M 的宏调用设计 2145. 3 FIF O 2165. 3. 1 FIF O 的 LPM 设计 1 2165. 3. 2 FIF O 的 LPM 设计 2 2185. 4 R O M 2215. 4. 1 简单的 R OM 设计 2215. 4. 2 用 R OM 实现九九乘法表 2225. 5 堆栈 226第 6 章

26、DSP 设计实例 2296. 1 串行数据检测器 2296. 2 伪随机码发生器 2316. 3 汉明编码器和译码器 2326. 3. 1 汉明编码器 2326. 3. 2 汉明译码器 2336. 4 循环冗余校验 ( CRC) 2356. 5 15 位流水线加法器 2386. 6 乘法器 2416. 6. 1 普通乘法器 2416. 6. 2 移位相加 8 位乘法器 2436. 6. 3 乘法器的 LP M 设计 2466. 7 除法器 2476. 8 F IR 滤波器

27、 2496. 8. 1 可编程 F IR 滤波器 2496. 8. 2 四抽头直接形式 F IR 滤波器 2516. 9 IIR 滤波器 2536. 9. 1 IIR 滤波器 1 2536. 9. 2 IIR 滤波器 2 2546. 9. 3 IIR 滤波器 3 255第 7 章数字系统设计实例 2587. 1 BCD - 七段动态 L ED 译码显示电路 2587. 2 汽车尾灯控制电路 2617. 3 频率计 2657. 4 数字钟 2727. 5 密码锁 2837. 6 8 位脉宽调

28、制器 2897. 7 硬件电子琴 2927. 8 函数发生器 2947. 9 AD0809 模拟信号采集 3017. 10 V GA 彩条信号发生器 3057. 11 通用异步收发器 ( U A R T ) 3097. 12 数字系统设计课题 3137. 12. 1 乒乓球游戏机 3137. 12. 2 四人抢答器 3147. 12. 3 数字秒表 3147. 12. 4 出租车计费器 3157. 12. 5 汽车停车场停车车位显示系统 3157. 12. 6 五层电

29、梯控制器 3157. 12. 7 自动售货机的控制电路 316附录掌宇 CIC310 CPLD/ FP GA 开发系统使用简介 317参考文献 324 1 第 1 章 V H D L 语言基础1. 1 概述硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史 , 并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计、综合等方面。目前常用的硬件描述语言有 V HDL、 V erilog H DL、 ABE L 等。其中 V erilog H DL 起

30、源于集成电路的设计 , ABE L 起源于可编程逻辑器件的设计 , 而 V H DL 则起源于 V H SIC 计划 , 这是美国国防部于 1980 年制定的 , 目标是为下一代集成电路的设计和制造而制定一种新的描述方法。 V H SIC 计划和同期的 A R PA R ( 先进的计算机体系结构 ) 计划 , 成为后来信息高速公路计划的基础。 V HDL 的英文全称为 Very - High - Spee

31、d In tegr ated Circuit H ardw are Descrip tion La nguage , 是 IE E E 标准化的硬件描述语言 , 并且已经成为系统描述的国际公认标准 , 得到众多 EDA 公司的支持。V HDL 有两个标准版本 , 最早是在 1987 年底 , I E EE 公布了 V H DL 的标准版本 I E E E - 1076 。 1993 年 , IE E E 对 V H DL 进行了修订 , 从更高的抽象层次和系统描述

32、能力方面扩展了 V H DL 的内容 , 公布了新版本的 V H DL , 即 IE E E 标准的 1076 - 1993 版本。这两种版本在书写格式上有细微差别 , 不过绝大部分 EDA 软件都支持这两种版本的书写格式。 1997 年 , 能够同时描述数字和模拟集成电路的 V H DL 语言标准 IE E E1076. 1 发布 , 即 V HD L - A MS。V HDL 语言覆盖面广 , 描述能力强 , 能支持硬件的

33、设计、验证、综合和测试 , 是一种多层次的硬件描述语言。其设计描述可以是描述电路具体组成的结构描述 , 也可以是描述电路功能的行为描述。这些描述可以从最抽象的系统级直到最精确的逻辑级 , 甚至门级。运用 V H DL 语言设计系统一般采用自顶向下分层设计的方法 , 首先从系统级功能设计开始 , 对系统高层模块进行行为描述和功能仿

34、真。系统的功能验证完成后 , 将抽象的高层设计自顶向下逐级细化 , 直到与所用可编程逻辑器件相对应的逻辑描述。1. 2 VH DL 程序结构1. 2. 1 VHDL 程序的基本结构V HDL 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外 , V H DL 的语言形式和句法与一般的计算机高级语言十分相似。 V H DL 程序的特

35、点是将一项工程设计 , 或者称为设计实体 ( 可以是一个元件、一个电路模块或一个系统 ) 分成外部和内部两部分。外部为端口 , 是可视部分 , 内部为设计实体的功能和算法部分 , 是不可视部分。在对一个设计实体定义了外部界面后 , 一旦其内部开发完成后 , 其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 V HDL

36、系 2 统设计的一个重要特点。下面是二 - 四译码器的 V H DL 描述。【例 1. 2. 1】 V HD L 程序的结构示例 ( 见 2. 7. 1 节中 “二 - 四译码器 ”)library ieee;use ieee. st d - logic - 1164. all; en tity d24 - conc isport ( : in std - logic - vect or (1 dow nto 0) ;o : ou t std - logic - vector(3 downt o 0) ) ; end d24 - co

37、nc ;a rchitect ure a of d24 - conc is beginprocess ( i ) begincase i iswhen 00 = o o o o o state if count = 7 t hen state y = p ;state = s0 ; 16 end case; end process ;end a ;常用的预定义的程序包有 4 种。(1 ) s t d - logic - 1164 程序包它是 I E E E 库中最常用的程序包 , 是 I E E E 的标准程序包。其中包含了一

38、些数据类型、子类型和函数的定义 , 这些定义将 V H DL 扩展为一个能描述多值逻辑 ( 即除具有 “ 0” 和 “1”以外还有其他的逻辑量 , 如高阻态 “Z”、不定态 “ X”等 ) 的硬件描述语言 , 很好地满足了实际数字系统的设计需求。该程序包中用得最多和最广的是定义了满足工业标准的两个数据类型 s t d - logic 和 s td - logic - vect or , 它们非

39、常适合于 F PGA/ C PLD 器件中多值逻辑设计结构。(2 ) s t d - logic - arit h 程序包它预先编译在 I E EE 库中 , 是 Synopsys 公司的程序包。此程序包在 s td - logic - 1164 程序包的基础上扩展了三个数据类型 uns igned、 sign ed 和 small - in t , 并为其定义了相关的算术运算符和转换函数。(3 ) s t d - logic - u nsigned 和 s t

40、d - logic - sign ed 程序包这两个程序包都是 Synopsys 公司的程序包 , 都预先编译在 IE E E 库中。这些程序包重载了可用于 in teg er 型及 s td - logic 和 st d - logic - vect or 型混合运算的运算符 , 并定义了一个由 st d - logic - vect or 型到 in teger 型的转换函数。这两个程序包的区别是 s td - logic - sign ed 中定义的运算

41、符考虑到了符号 , 是有符号数的运算 , 而 s t d - logic - unsign ed 则是无符号数的运算。程序包 st d - logic - a rit h、 s t d - logic - un signed 和 st d - logic - signed 虽然未成为 I E E E 标准 , 但已经成为事实上的工业标准 , 绝大多数的 V H DL 综合器和 V H DL 仿真器都支持它们。(4 ) s ta ndard 和 te xtio 程序包这两个程

42、序包是 s t d 库中的预编译程序包。 s ta ndard 程序包中定义了许多基本的数据类型、子类型和函数。它是 V HDL 标准程序包 , 实际应用中已隐性地打开了 , 故不必再用 u se 语句另作声明。 tex tio 程序包定义了支持文本文件操作的许多类型积子程序。在使用本程序包之前 , 需加语句 use s t d. tex tio. all。te xtio 程序包主要供仿真器

43、使用。可以用文本编辑器建立一个数据文件 , 文件中包含仿真时需要的数据 , 然后仿真时用 t ex tio 程序包中的子程序存取这些数据。综合器中 , 此程序包被忽略。1. 4 数据对象、类型及操作符V HDL 语言的组成元素 , 主要有数据对象、数据类型和各类操作数及运算操作符。 17 其中数据对象包括变量 ( variable ) 、信号 ( signal) 和常数 (

44、 cons tan t ) 三种。 V H DL 语言的功能强大还体现在它具有丰富的属性描述 , 以及可以采用行为、数据流、结构描述方式灵活实现设计意图。1. 4. 1 VHDL 文字V HDL 文字主要包括数值和标识符。数值型文字主要有数字型、字符串型、位串型。1. 数字型文字数字型文字的值有多种表达方式 , 现列举如下。(1 ) 整数文字 : 整数文字都是十进制

45、的数 , 如 :5 , 678 , 0 , 156e2 ( = 15600 ) , 45 - 234 - 287( = 45234287 )数字间的下划线仅仅是为了提高文字的可读性 , 相当于一个空的间隔符 , 而没有其他的意义 , 因而不影响文字本身的数值。(2 ) 实数文字 : 实数文字也都是十进制的数 , 但必须带有小数点 , 如 : 873. 45。(3 ) 以数制基数表示的文字 : 用这种方式表示的数由五个

46、部分组成。第一部分 , 用于进制数标明数制进位的基数 ; 第二部分 , 数制隔离符号 “ # ”; 第三部分 , 表达的文字 ; 第四部分 , 指数隔离符号 # ; 第五部分 , 用十进制表示的指数部分 , 这一部分的数如果是 0 则可以省去不写。例如 :10 # 670 - - ( 十进制数表示 , 等于 670)16 # f. 01 # e + 2 - - ( 十六进制数表示 , 等于 3841. 00) (4 )

47、物理量文字 ( V HDL 综合器不接受此类文字 ) 。如 ,60 s (60 秒 ) ; 10 m ( 10 米 ) , k ( 千欧姆 ) , 177 A ( 177 安培 )2. 字符串型文字字符是用单引号引起来的 ASCII 字符 , 可以是数值 , 也可以是符号或字母 , 如 “ Z”。而字符串则是一维的字符数组 , 须放在双引号中。 V HD L 中有两种类型的字符串 : 文字字符串和数位字符串。(1 ) 文字

48、字符串 : 文字字符串是用双引号引起来的一串文字 , 如 :“e r ror”。(2 ) 数位字符串 : 数位字符串也称位矢量 , 是预定义的数据类型 bit 的一位数组 , 它们所代表的是二进制、八进制或十六进制的数组 , 其位矢量的长度即为等值的二进制数的位数。数位字符串的表示首先要有计算基数 , 然后将该基数表示的值放在双引号中 , 基数符以 “ b”(

49、二进制 ) “o”( 八进制 ) 和 “ x”( 十六进制 ) 表示。3. 标识符标识符用来定义常数、变量、信号、端口、子程序或参数的名字。 V H DL 的基本标识符就是以英文字母开头 , 不连续使用下划线 “ - ”, 不以下划线 “ - ”结尾的 , 由 26 个大小写 18 英文字母、数字 0 9 以及下划线 “ - ”组成的字符串。 V HD L 93 标准还支持扩展标识符 , 但是目前仍有许多 V H DL 工具不支持扩展标识符。标识符中的英语字母不分大小写。 V HDL 的保留字不能作为标识符使用。4. 下标名及下标段名下标名用于指示数组型变量或信号的某一元素 , 而下标段名则用于指示数组型变量或信号的某一段

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