VHDL設計深入課件

第7章VHDL設計深入

7.1進程中的信號賦值與變量賦值7.1進程中的信號賦值與變量賦值判斷下面3個程序中是否有錯誤，若有則指出錯誤所在，并給出完整程序。

程序1：

程序2：SignalA,EN:std_logic;ArchitectureoneofsampleisProcess(A,EN)variablea,b,c:integer;VariableB:std_logic;beginBeginc<=a+b;ifEN=1thenB<=A;endif;end;endprocess;判斷下面3個程序中是否有錯誤，若有則指出錯誤所在，并給出完整程序。

程序3：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitymux21isport(a,b:instd_logic;sel:instd_logic;c:outstd_logic;);endsam2;architectureoneofmux21isbeginifsel='0'thenc:=a;elsec:=b;endif;endtwo;【例7-3】ARCHITECTUREbhvOFDFF3ISSIGNALA,B:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENA<=D1;B<=A;Q1<=B;ENDIF;ENDPROCESS;

END;

時序波形圖的分析【例7-4】ARCHITECTUREbhvOFDFF3ISBEGINPROCESS(CLK)VARIABLEA,B:STD_LOGIC;BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENA:=D1;B:=A;Q1<=B;ENDIF;ENDPROCESS;

END;

時序波形圖的分析VHDL語句的執(zhí)行時間順序問題

和軟件語言的重要差異。很令人困惑的問題?。?zhí)行賦值≠完成賦值：結論：關于VHDL代碼的

執(zhí)行時間順序問題signal和variable代入語句的執(zhí)行時間不同variable代入后，其數(shù)值立即發(fā)生改變！signal代入后，數(shù)值不立即改變，只有在ENDPROCESS前才改變。7.1進程中的信號賦值與變量賦值Signal的一個例子p39ARCHITECTUREbhvOFp39ISSIGNAL a,b,c,y,z: INTEGER;BEGIN PROCESS(a,b,c) BEGIN y<=a+b; z<=c-a; y<=b; ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREbhv;如果a,b,c分別為1，2，3Y的值等于多少？線與【例7-6】process(i0,i1,i2,i3,a,b)beginmuxval<=0;if(a='1')thenmuxval<=muxval+1;endif;if(b='1')thenmuxval<=muxval+2;endif;casemuxvaliswhen0=>q<=i0;when1=>q<=i1;when2=>q<=i2;when3=>q<=i3;whenothers=>null;4選1選擇器的電路圖（7-6代碼）【例7-7】variablemuxval:integerrange7downto0;beginmuxval:=0;if(a='1')thenmuxval:=muxval+1;endif;if(b='1')thenmuxval:=muxval+2;endif;casemuxvaliswhen0=>q<=i0;when1=>q<=i1;when2=>q<=i2;when3=>q<=i3;whenothers=>null;

4選1選擇器的電路圖（7-7代碼）差之毫厘謬之千里上面2

個圖的差異？看似相似的代碼，生成的電路卻

大相徑庭??！產生了不需要的 時序電路單元（DFF）圖

例7-6中錯誤的工作時序

圖例7-7中正確的工作時序

小結：變量賦值與信號賦值

變量與信號的差異：

1）賦值方式的不同：變量：=表達式；信號<=表達式；

2）硬件實現(xiàn)的功能不同：信號代表電路單元、功能模塊間的互聯(lián)，代表實際的硬件連線；變量代表電路單元內部的操作，代表暫存的臨時數(shù)據(jù)。3）有效范圍的不同：信號：程序包、實體、結構體；全局量。變量：進程、子程序；局部量。

ARCHITECTURE{SIGNALDeclarations}label1:PROCESS{VARIABLEDeclarations}label2:PROCESS{VARIABLEDeclarations}┇4）賦值行為的不同：信號賦值延遲更新數(shù)值、時序電路；變量賦值立即更新數(shù)值、組合電路。5）信號的多次賦值

a.一個進程：最后一次賦值有效

b.多個進程：多源驅動線與、線或、三態(tài)例：信號的多次賦值architecturertlofexissignala:std_logic;beginprocess(…)begina<=b;…a<=c;endprocess;endrtl;architecturertlofexissignala:std_logic;beginprocess(…)begina<=b;…endprocess;process(…)begina<=c;...endprocess;endex;三態(tài)門：要點三態(tài)電路是總線電路設計的必須狀態(tài)CPLD/FPGA器件

不能 在內部產生三態(tài)電路

只能在

端口處產生三態(tài)電路內部三態(tài)電路必須用

選擇器電路代替7.2含高阻輸出的電路設計

EN1EN1EN1…G1G2GnA1A2An數(shù)據(jù)總線011…101…110…

注意：任何時刻，只允許一個三態(tài)門使能，其余為高阻態(tài)。用途主要作為TTL電路與總線（BUS)間的接口電路三態(tài)門：圖VHDL應如何表達？ENTITYtri_sIS PORT(enable, :IN STD_LOGIC;

datain :IN STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);

dataout :OUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));ENDENTITYtri_s;ARCHITECTUREBEHAVOFtri_sISBEGIN PROCESS(enable,datain) BEGIN IFenable='1'THEN

dataout <=datain; ELSE

dataout <="ZZZZZZZZ"; --errorcode:dataout<="zzzzzzzz"; ENDIF; ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREBEHAV;三態(tài)門：代碼詳細參見：P1777-87.2.2雙向緩沖器：圖VHDL應如何表達？ENTITYbitri_stateIS PORT(control :IN STD_LOGIC; in1 :IN STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); x :OUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); q :INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0) );ENDENTITYbitri_state;ARCHITECTUREBEHAVOFbitri_stateISBEGINPROCESS(control,q,in1)BEGINIFcontrol=‘0'THEN x<=q; --errorcode,

ELSE q<=in1; x<="ZZZZZZZZ"; ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREBEHAV;詳細參見：p178電路圖是？雙向端口：ex7-9Ex7-93.10雙向和三態(tài)電路信號賦值3.10.2雙向端口設計圖

例7-9的仿真波形圖

雙向端口：設計提示如果一個雙向端口用于輸入模式，必須使得原來呈現(xiàn)輸出模式的端口

為“Z”狀態(tài)ENTITYbitri_stateokIS PORT(control :IN STD_LOGIC; in1 :IN STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); x :OUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); q :INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0) );ENDENTITYbitri_stateok;ARCHITECTUREBEHAVOFbitri_stateokISBEGINPROCESS(control,q,in1)BEGINIFcontrol=‘0'THEN x<=q; q<="ZZZZZZZZ"; --correctcode,comparewithexample5_14;ELSE q<=in1; x<="ZZZZZZZZ"; --thecodecanbeomitted!!!ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREBEHAV;詳細參見：p178_ex7-10雙向和三態(tài)電路信號賦值雙向端口設計圖

例7-10的仿真波形圖

聲明本部分內容是數(shù)字電子系統(tǒng)的設計中要遇到的特殊問題，雖不是考試重點，但卻是實際設計中的關鍵注意事項。藝無止境，講授本部分的目的僅僅是帶領入門，修行仍靠自身。要熟練使用這些技巧，并且有進一步的提高，必須經(jīng)過大量的項目實踐去積累。7.3資源優(yōu)化7.3.1資源共享資源共享即RTL級模塊中的兩個或兩個以上的部分共享一組邏輯7.3資源優(yōu)化7.3.2邏輯優(yōu)化

減少資源的占用7.3資源優(yōu)化7.3.3串行化在時間上復用邏輯塊7.3資源優(yōu)化7.3.3串行化47流水線技術幾乎是最常用的提供系統(tǒng)工作速率的強有力手段。7.4速度優(yōu)化

7.4.1流水線設計

將處理過程分成串連的n個步驟，并將單向串連起來,每個步驟之間用D觸發(fā)器分割。Step1Step2Stepn…問題：下圖的流水線為何可以提高速度？時序電路的主要時序參數(shù)clkDinclkDinThTsuTcoTsu:setuptimeTh:holdtimeTco:clockoutputdelay流水線設計:

方法Tclk≥

Tdelay/2+Tco+Tsetup電子科技大學51關于寄存輸入和寄存輸出數(shù)字系統(tǒng)中，各模塊應采?。拇孑斎牒停┘拇孑敵?，這樣做有如下優(yōu)點：模塊化清晰(特別是寄存輸出)；提高系統(tǒng)最高工作速率；有利于整個系統(tǒng)和單個模塊分別進行靜態(tài)時序分析。關鍵路徑一個同步系統(tǒng)中的關鍵路徑，就是它所有的路徑中，路徑延遲最長的那一條。顯然，這個同步系統(tǒng)的最高工作頻率，等于關鍵路徑延遲的倒數(shù)。7.4速度優(yōu)化

7.4.1流水線設計

Clk=129MHz7.4速度優(yōu)化

7.4.1流水線設計

T=7.748nsf=129MT=3.63n3f=275M7.4速度優(yōu)化

7.4.2關鍵路徑法長路徑的避免實際上是一個很泛的技巧，總之，在設計中，時序能走短路徑就盡量走短路徑；組合電路能縮小就盡量縮小。以下僅舉兩例來說明。7.5仿真延時7.5.1固有延時z<=xXORyAFTER5ns；

z<=xXORy；

B<=AAFTER20ns；--固有延時模型

7.5仿真延時7.5.2傳輸延時B<=TRANSPORTAAFTER20ns;--

傳輸延時模型

圖3-28固有延時輸入輸出波形