VHDL学习记录

VHDL全名Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ，是一种标准硬件描述语言。下面通过60进制计数器来分析VHDL的语法，以及一些硬件设计的理解。

60进制计数器，顾名思义，是每60个时间单位输出一个脉冲信号。60进制可以利用小于60进制的计数器的累加来达成相应的功能。主要有以下两种思路：

一种是直接其中的一个计数器通过时钟型号累加，另一个则是接受第一个计数器的进位信号，而进行加法计数。他们共用一个时钟信号，为并行进位。

一种是高位计数器的时钟连着低位计数器的进位信号，从而进行增加。

这里取第二种思路，通过一个10进制的计数器和一个6进制的计数器来实现60进制计数器。

顶层图如下



下面我们用VHDL语言来实现。

首先是6进制计数器。

注意！！器件最好不要以数字作为开头

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

这部分是库的声明。1164库中包括了大部分标准的类型，器件。

而unsigned中则包括了如加法等器件。

entity counter_6 is
port(
clk,clrn,en:in std_logic;
dout:out std_logic_vector (3 downto 0);
cout:out std_logic);
end counter_6;

这部分为这个文件所描述的总器件端口的声明，类似编程中主函数的声明。

architecture counter_6_arch of counter_6 is

这下面就是器件内部的描述内容、类似编程中的主函数实现。

signal douti:std_logic_vector (3 downto 0);
begin
    process(en,clk,clrn,en)
    begin
        if clrn = '0' then
            douti <= "0000";
        elsif clk'event and clk = '1' and en = '1' then
            if douti < 5 then
                douti <= douti+1;
            else douti <= "0000";
            end if;
        end if;

        if douti = 5 then
            cout <= '1';
        else cout <= '0';
        end if;
    dout <= douti;
    end process;
end counter_6_arch;

十进制的计数器和六进制的类似，代码如下。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity counter_10 is
port(
clk,clrn,en:in std_logic;
dout:out std_logic_vector (3 downto 0);
cout:out std_logic);
end counter_10;

architecture counter_10_arch of counter_10 is
signal douti:std_logic_vector (3 downto 0);
begin
    process(en,clk,clrn,en)
    begin
        if clrn = '0' then
            douti <= "0000";
        elsif clk'event and clk = '1' and en = '1' then
            if douti < 9 then
                douti <= douti+1;
            else douti <= "0000";
            end if;
        end if;

        if douti = 9 then
            cout <= '1';
        else cout <= '0';
        end if;
    dout <= douti;
    end process;
end counter_10_arch;

将以上两个进制计数器编写完成后，复制到总工程目录下，开始编写上面顶层图所描述的内容。

这部分代码与之前的类似

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;

entity counter_60 is
port(
    CLK,EN,CLRN:in std_logic;
    tens_digit:out std_logic_vector(3 downto 0);
    single_digit:out std_logic_vector(3 downto 0);
    cout:out std_logic);
end counter_60;

architecture rout1 of counter_60 is

这里就是对包含的器件进行声明了。其中包含哪些端口，是那种类型的数据，要和之前的命名的一样。

这里的d触发器直接调用系统提供的了，记得导包。可以自己用VHDL写一个或者定制一个，然后把VHD文件粘贴到本工程下面引用。

类似编程中间对引用的函数的声明。

component counter_10 is
port(
    clk,en,clrn:in std_logic;
    dout:out std_logic_vector(3 downto 0);
    cout:out std_logic);
end component;

component counter_6 is
port(
    clk,en,clrn:in std_logic;
    dout:out std_logic_vector(3 downto 0);
    cout:out std_logic);
end component;

component dff is
port(
    clk,d,clrn:in std_logic;
    q:out std_logic);
end component;

signal tens_wire,single_wire: std_logic_vector(3 downto 0);
signal cout_10,cout_6: std_logic;
signal dff_out: std_logic;

begin
    ctr10 : counter_10 port map(clk=>CLK,en=>EN,clrn=>CLRN,dout=>single_wire,cout=>cout_10);

这里就是对线路的说明了，之前定义了好多线，在这里连上即可。

类似实例化上面引用的函数。格式如下：

实例化后器件的名字：要实现的器件名 port map (port名=>接上的线或端口,port名=>接上的线或端口，…)；

    my_dff : dff port map(d=>cout_10,clk=>CLK,clrn=>CLRN,q=>dff_out);
    ctr6 : counter_6 port map(clk=>dff_out,en=>EN,clrn=>CLRN,dout=>tens_wire,cout=>cout_6);
    tens_digit<=tens_wire;
    single_digit<=single_wire;
    cout<= cout_10 and cout_6;
end rout1;

可以生成RTL看看对不对



这是总器件的图



这是10进制加法器的图

最后自己愉快的仿真下就好了。

敲了有一阵VHDL的代码了，下面是一些杂七杂八的东西。

首先，所有语言都是通的，VHDL其实和一些面向过程的语言非常类似，而且最后打包成黑箱，还可以直接实例化调用，有些面向对象的感觉了。最先开始比较喜欢利用顶层图直接设计，比较直观，但是当工程复杂起来，VHDL的优势就显现出来了。强逻辑性，无需了解细节上面的电路实现，还有比较灵活的模块关系。

VHDL还有几种实现方式，一种是类似上面，把目标分成模块，一个模块一个模块的实现，最后把东西连起来达到最终目的。另一种就是直接列出真值表，利用when else 直接根据输入，输出相应结果。最后一种是数据流描述，说直白点，就是类似面向过程的编程，有一定的逻辑语句和处理。以上几种方式组合起来，根据不同的设计要求，利用合适的方式完成就好了。