北京工业大学：《VHDL与数字电路设计》课程教学资源（PPT课件讲稿，共九章，主讲：崔刚）

VHDL与数字电路设计 主讲:崔刚 北京工业大学电控学院电工电子中心 2005年9月1

VHDL与数字电路设计 主讲：崔 刚 北京工业大学电控学院电工电子中心 2005年9月1

目录 概述 第一章VHDL的程序结构和软件操作 第二章数据类型与数据对象的定义 第三章并行赋值语句 第四章顺序赋值语句 第五章组合逻辑电路的设计 第六章时序逻辑电路的设计 第七章子程序、库和程序包 第八章CPLD和FPGA的结构与工作原理 第九章数字钟电路的设计

目录 概述 第一章 VHDL的程序结构和软件操作 第二章 数据类型与数据对象的定义 第三章 并行赋值语句 第四章 顺序赋值语句 第五章 组合逻辑电路的设计 第六章 时序逻辑电路的设计 第七章 子程序、库和程序包 第八章 CPLD和FPGA的结构与工作原理 第九章 数字钟电路的设计

本节主要内容 >传统数字电路设计方法 >EDA设计方法 PLD器件 >PLD器件设计流程 文本设计输入VHDL程序设计

本节主要内容 ➢传统数字电路设计方法 ➢EDA设计方法 ➢PLD器件 ➢PLD器件设计流程 ➢文本设计输入—VHDL程序设计

数字电子技术的基本知识回顾 >组合逻辑电路 编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器等 >时序逻辑电路 同步时序逻辑电路 异步时序逻辑电路 寄存器、移位寄存器、计数器、序列信号发生器

数字电子技术的基本知识回顾 ➢组合逻辑电路 编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器等 ➢时序逻辑电路 ➢同步时序逻辑电路 ➢异步时序逻辑电路 寄存器、移位寄存器、计数器、序列信号发生器

传统设计方法 传统的设计方法是基于中小规模集成电路器件进 行设计(如74系列及其改进系列、CC4000系列、 74HC系列等都属于通用型数字集成电路),而 且是采用自底向上进行设计: (1)首先确定可用的元器件; (2)根据这些器件进行逻辑设计,完成各模块; (3)将各模块进行连接,最后形成系统; (4)而后经调试、测量观察整个系统是否达到规定 的性能指标

一、传统设计方法 （1）首先确定可用的元器件； （2）根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块； （3）将各模块进行连接，最后形成系统； （4）而后经调试、测量观察整个系统是否达到规定 的性能指标。 传统的设计方法是基于中小规模集成电路器件进 行设计（如74系列及其改进系列、CC4000系列、 74HC系列等都属于通用型数字集成电路），而 且是采用自底向上进行设计：

二、EDA设计方法 EDA( Electronics Design Automation)即电子设计 自动化技术,是利用计算机工作平台,从事电子系 统和电路设计的一项技术。 EDA技术为电子系统设计带来了这样的变化: (1)设计效率提高,设计周期缩短; (2)设计质量提高; (3)设计成本降低; (4)能更充分地发挥设计人员的创造性; (5)设计成果的重用性大大提高,省去了不必要的 重复劳动

EDA（Electronics Design Automation）即电子设计 自动化技术，是利用计算机工作平台，从事电子系 统和电路设计的一项技术。 EDA技术为电子系统设计带来了这样的变化： （1）设计效率提高，设计周期缩短； （2）设计质量提高； （3）设计成本降低； （4）能更充分地发挥设计人员的创造性； （5）设计成果的重用性大大提高，省去了不必要的 重复劳动。 二、EDA设计方法

自顶向下的设计方法 数字电路的EDA设计是基于PLD进行设计的,支持自 顶向下的设计方法: (1)首先从系统设计入手,在顶层进行功能划分和 结构设计; (2)然后再逐级设计底层的结构; (3)并在系统级采用仿真手段验证设计的正确性; (4)最后完成整个系统的设计,实现从设计、仿真、 测试一体化

自顶向下的设计方法 数字电路的EDA设计是基于PLD进行设计的，支持自 顶向下的设计方法： （1）首先从系统设计入手，在顶层进行功能划分和 结构设计； （2）然后再逐级设计底层的结构； （3）并在系统级采用仿真手段验证设计的正确性； （4）最后完成整个系统的设计，实现从设计、仿真、 测试一体化

传统设计方法 VS EDA设计方法 传统设计方法 EDA设计方法 自底向上 自顶向上 手动设计 自动设计 软硬件分离 打破软硬件屏障 原理图设计方式 原理图、HDL等设计方式 系统功能固定 系统功能易改 不易仿真 易仿真 难测试修改 易测试修改 模块难移植共享 模块可移植共享 设计周期长 设计周期短

传统设计方法 vs EDA设计方法 传统设计方法 EDA设计方法 自底向上 手动设计 软硬件分离 原理图设计方式 系统功能固定 不易仿真 难测试修改 模块难移植共享 设计周期长 自顶向上 自动设计 打破软硬件屏障 原理图、HDL等设计方式 系统功能易改 易仿真 易测试修改 模块可移植共享 设计周期短

三、PLD器件()出现的背景 如果能把所设计的数字系统做成一片大规模集成 电路,则不仅能减小电路的体积、重量、功耗,而且 会使电路的可靠性大为提高 为某种专门用途而设计的集成电路叫做专用集成 电路,即所谓的ASIC( Application Specific Integrated CircuitE缩写) 在用量不大的情况下,设计和制造这样的专用集成 电路成本很高,而且设计、制造的周期也较长。 可编程逻辑器件的研制成功为解决上述问题提供了 比较理想的途径

三、PLD器件 （一）出现的背景 如果能把所设计的数字系统做成一片大规模集成 电路，则不仅能减小电路的体积、重量、功耗，而且 会使电路的可靠性大为提高。 为某种专门用途而设计的集成电路叫做专用集成 电 路 ， 即 所 谓 的 ASIC （ Application Specific Integrated Circuit的缩写）。 在用量不大的情况下，设计和制造这样的专用集成 电路成本很高，而且设计、制造的周期也较长。 可编程逻辑器件的研制成功为解决上述问题提供了 比较理想的途径

(二)PLD概述 PLD是可编程逻辑器件( Programmable logic device) 的英文缩写。 可编程逻辑器件是一种数字集成电路的半成品,在其 芯片上按一定排列方式集成了大量的逻辑门和触发器 等基本逻辑元件。通过编程可以设置其逻辑功能。 PLD编程: 利用开发工具对PLD进行加工,即按设计要求将这些 片内的元件连接起来,使之完成某个逻辑电路或系统 的功能,成为一个专用集成电路(ASIC- - application Specific Integrated Circuit)

（二）PLD概述 PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device） 的英文缩写。 可编程逻辑器件是一种数字集成电路的半成品，在其 芯片上按一定排列方式集成了大量的逻辑门和触发器 等基本逻辑元件。通过编程可以设置其逻辑功能。 PLD编程: 利用开发工具对PLD进行加工，即按设计要求将这些 片内的元件连接起来，使之完成某个逻辑电路或系统 的功能，成为一个专用集成电路（ASIC—Application Specific Integrated Circuit）