VHDL语言与数字集成电路设计 电子科技大学 张鹰

Very high speed integration circuits Hardware Description Language 第一章 概述 VHDL Very high speed integration circuits Hardware Description Language 一种集成电路的硬件描述语言； 用于进行数字集成电路的设计；

数字集成电路 数字逻辑电路，通常由基本门电路构成；在一块半导体芯片上设计制作； 目前以CMOS工艺为主进行制备； 在信息技术领域得到广泛的应用。

数字集成电路的发展 从上世纪60年代开始发展，每3年集成度与速度提高2倍。 从简单的门电路到复杂的数字系统，系统复杂程度急剧提高。

VLSI（可达上亿） 大型系统组件或小型系统 数字集成电路的发展 SSI （1—20gates） 基本单元组合 （P.13）MSI（20—200） 简单功能电路： 译码器、数据选择器、寄存器、计数器 LSI（200—20万） 小规模系统组件： 存储器、微处理器、可编程逻辑器件 VLSI（可达上亿） 大型系统组件或小型系统 SOC：Systems on chip !

数字集成电路的设计

数字集成电路的设计特点 电路复杂程度高，开发时间长； 目标：短周期、低成本、高性能 方案：层次化、模块化、标准化 自顶至下的多层次设计：TOP-DOWN

数字集成电路的设计层次 系统设计 系统描述：芯片功能、性能、 成本、尺寸等 功能设计 功能级描述：功能框图、时序 图等 系统设计 系统描述：芯片功能、性能、 成本、尺寸等 功能设计 功能级描述：功能框图、时序 图等 逻辑设计 逻辑描述：逻辑电路图 电路设计 电路描述：电路图、门级网表 版图设计 版图网表

设计交流的语言：HDL 采用文本形式进行程序设计，便于编写和修改； 具有硬件特征的语句，可以描述数字系统的结构、功能、行为和接口； 全面支持电路硬件的设计、验证、综合和测试；设计与具体工艺无关，适合于多层次设计； 具有良好的开放性和并行设计能力、便于交流保存共享。

一个简单数字电路的设计描述 4位加法器标准模块：a+b+ci=s 3组输入，1组输出；

4位加法的实现过程 可以采用4个全加器模块（FA）连接实现； 每个模块有3个输入，2个输出；

采用实体（entity）描述模块的外部端口 VHDL对电路模块的描述 entity add4 is port (a,b: in bit_vector( 3 downto 0 ); ci : in bit; s : out bit_vector(4 downto 0)); end add4; 采用实体（entity）描述模块的外部端口

VHDL对电路内部结构的描述 采用结构体（archtecture）描述模块的内部连接关系 architecture str of add4 is signal c: bit_vector(2 downto 0); component fa is port (a,b,ci: in bit; s,co : out bit); end component; begin u1:fa port map (a(0),b(0),ci,s(0),c(0)); u2:fa port map (a(1),b(1),c(0),s(1),c(1)); u3:fa port map (a(2),b(2),c(1),s(2),c(2)); u4:fa port map (a(3),b(3),c(2),s(3),s(4)); end str; 采用结构体（archtecture）描述模块的内部连接关系

对上述描述程序的电路综合 程序准确体现了希望实现的电路结构

全加器的设计 VHDL不仅可以通过连线描述进行电路设计，也可以通过运算关系或电路的行为特征进行电路设计。 根据数字电路的基本知识，全加器的功能可以由下列逻辑运算描述：

全加器的VHDL程序 entity fa is port (a,b,ci: in bit; s,co : out bit); end fa;   architecture rtl of fa is begin s<=a xor b xor ci; co<=(a and b) or (a and ci) or (b and ci); end rtl;

全加器VHDL程序的综合结果

对全加器电路描述的修改 在CMOS电路结构中，3输入异或门不是一个基本单元器件，为了使设计能够更直接地反映晶体管电路的构成，可以将该计算采用两输入逻辑替代，设置一个中间信号表达2个输入量的异或，然后再将其与第3个变量进行异或；

对全加器电路描述的修改 architecture rtl of fa is signal s1:bit; Begin -- s<=a xor b xor ci; s1<=a xor b;s<=s1 xor ci co<=(a and b) or (a and ci) or (b and ci); end rtl; 只是改变结构体中的相应描述语句

修改后电路的综合结果 通过简单改变VHDL的语句，就可以改变电路中使用的逻辑单元和连接方式。

电路基本单元的结构 考虑到晶体管级和版图级的性能优化问题，异或门可以采用传输门结构实现，而“与-或”结构则通常采用与非门实现。

数字集成电路的优化设计 在系统一级，需要考虑使功能模块的数量最小化，减少相互连线； 在功能模块一级，需要考虑逻辑单元的使用量和运算速度问题； 对于逻辑单元，则需要考虑基本单元的使用及其连接方式； 晶体管级和版图的优化则限制着基本逻辑单元的规模。

数字集成电路设计的基本条件 熟悉电路的基本结构，设计方法和设计流程； 掌握硬件描述语言的特点和描述方法； 掌握相关综合工具和仿真工具的应用。

本课程内容安排 了解数字集成电路的结构特点 了解数字集成系统的基本设计方法 掌握常用EDA工具的基本使用方法 掌握VHDL的基本语法和主要编程要点 掌握常用数字单元电路的VHDL设计特点

教材 Digital Design —Principles & Practices （第三版） John F.Wakerly 高等教育出版社 （2001） (节选相关内容)

参考书 现代电子技术—VHDL与数字系统设计 杨刚 龙海燕 电子工业出版社（2004） VHDL数字电路设计教程 杨刚 龙海燕 电子工业出版社（2004） VHDL数字电路设计教程 [巴西]Volnei A.Pedroni 著 乔庐峰 王志功 等译 电子工业出版社（2005）