VHDL习题解答要点.pdf
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1、VHDL 程序设计教程习题参考解答 第一章习题参考答案 1什么是VHDL ?VHDL 的实现有哪几种形态? 硬件描述语言(Hardware Description Language ,HDL ) ,顾名思义,是电子系统硬件行 为描述、 结构描述、 数据流描述的语言。VHDL 语言的英文全名是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ,即超高速集成电路硬件描述语言。 2简述 VHDL 的发展史。 1981 年 6 月 VHDL 工作小组成立,提出了一个满足电子设计各种要求的能够作为工业 标准的硬件描述语言。
2、1983 年第三季度,由IBM 公司、 TI 公司、 Inter metrics 公司签约,组成开发小组,工 作任务是提出语言版本和开发软件环境。 1986 年 IEEE 标准化组织开始工作,讨论VHDL 语言标准,历时一年有余,于1987 年 12 月通过标准审查,VHDL1.0版本 宣布实施,即IEEE STD 1076-1987 。 1993 年经过重新修订, 发布 VHDL2.0版本 , 从而形成新的标准即IEEE STD 1076-1993 。 2006 年 VHDL 发布 VHDL3.0版本 ; 2008 年 8 月, VHDL 4.0 版本 发布,解决了3.0 版本中发现的多个问
3、题。 2009 年 1 月, IEEE 公布了 VHDL 4.0 的标准版本,最新VHDL 标准 IEEE 1076-2008 在 2009 年 1 月实施。 3. 详述 VHDL 设计 IP 模块的流程。 第 1 种设计形态, VHDL 程序以 IP 模块的形态存在,VHDL-IP设计流程如图1.6 所示。 IP 模块是与集成电路工艺无关的芯片设计方案,可以移植到不同的设计环境。IP 产品形态 有规范,有IP 包装规则和复用规则,是原生态的芯片硬件设计产品。 VHDL 功能定义VHDL 程序编译 VHDL IP封装VHDL 修改调试 VHDL 程序编辑 VHDL 功能仿真 图 1.6 VHD
4、L-IP设计流程 4. 简答 VHDL 设计用 FPGA 实现的意义。 可编程器件FPGA 具有容量大、密度高等特点,是科学实验、小批量生产、样机研制 的载体。这种产品形态可以作为科学实验、小批量产品研发的最佳实现方案。 5. 叙述用 VHDL 设计 ASIC 的流程。 VHDL 设计的 ASIC 芯片实现, 流程如图 1.8 所示。 工程项目的VHDL 功能设计与某一 集成电路工艺相结合,形成集成电路版图设计,并在晶圆上实现实现集成电路芯片的制造。 VHDL 功能仿真 是 是 时序仿真成功 物理综合 版图设计 参数提取 设计规则检查 版图交付 工厂生产 成品测试 ASIC 芯片出厂 VHDL
5、 功能定义VHDL 程序编辑VHDL 程序编译 FPGA 下载 功能测试成功 是 否 是 否 VHDL 修改调试 否 否 图 1.8 VHDL- ASIC 设计流程 工程项目经过集成电路前端设计( VHDL 设计、功能时序设计) 、 后端设计 (版图设计) , 后端仿真、设计规则检查(DRC) 、形式验证后的版图,交付集成电路芯片代工厂进行工业 化大规模生产。 6. 怎样建立一个基本VHDL 设计环境? 把 VHDL 语言输入界面、编辑界面、编译工具、器件库、函数库的组合称为VHDL 设 计环境。许多EDA 工具均提供了VHDL 设计环境,如ALTERA 公司的 Quartus II 。 7.
6、 开展 IP 设计需要什么条件? VHDL 程序以 IP 模块的形态存在。IP 模块是与集成电路工艺无关的芯片设计方案,可 以移植到不同的设计环境。IP 产品形态有规范,有IP 包装规则和复用规则,是原生态的芯 片硬件设计产品。开展IP 设计需要EDA 工具提供VHDL 语言编译环境。 8. 片上系统设计的知识要求和实验条件有那些? 片上系统设计需要SOC系统知识,嵌入式计算机体系结构知识,IP 复用知识,底层驱 动软件编写技能。实验条件,需要相对高级、复杂一些的FPGA开发板。 第二章习题参考答案 1什么是对象?对象有哪几种类型? 在 VHDL语言中,对象(Objects)是具有特定数据类型
7、且可以被赋值的客体。VHDL 语言中的对象有4 类:常量( Constant) 、信号( Signal) 、变量( Variable)和文件( Files) 。 2变量和信号的区别是什么? 变量( Variable)是一个局部量,主要用于对临时数据进行局部存储。 信号( Signal)可用于电路内部硬件设计实体相互连接的抽象表示。信号是全局量,通 常在实体说明、结构体和包中使用。 3VHDL 语言定义的标准数据类型有哪些? VHDL 语言预定义的数据类型包括: 整数类型( Integer Type) 、 实数类型或浮点类型(Real Type Floating Type) 、 位类型( Bit
8、 Type) 、 位矢量类型( Bit_Vector Type ) , 布尔类型( Boolean Type) 、 字符类型( Character Type) , 时间类型或物理类型(Time Type Physical Type) 、 错误类型( Note,Warning,Error,Failure Type) , 自然数、整数类型(Natural Type) 字符串类型( Tring Type ) 。 用户自定义的数据类型: 枚举类型(Enumerated Type) 、 数组类型( Array Type ) 、 存取类型( Access Type) 、 文件类型( Files Type)
9、 记录类型( Recode Type) 。 4哪些数据类型不能被综合? 物理类型是不能被综合的。 5简述 VHDL 语言操作符的优先级。 运算符的优先级 优先级顺序运算操作符类型操作符操作符功能 高 逻辑运算符NOT 取非 算术运算符 ABS 取绝对值 *指数运算 REM 取余 MOD 求模 / 除法 * 乘 - 负 + 正 并置运算符 - 可选项(参数说明) PORT 语句 ; - 必需项 (端口说明) 实体说明部分 ; - 可选项 BEGIN 实体语句部分 ; END ENTITY 实体名 ; 2用结构体的3 种描述法设计一个4 位计数器。 3什么叫进程?简述进程的工作方式。 进程语句不是
10、一条语句,而是一段程序结构,这段程序描述了一个靠敏感信号触发的硬 件模块反复执行的工作过程。进程语句(Process)是并行处理语句,即在结构体中多个进 程语句是同时并发运行的。 进程语句的一般书写形式为: 进程名:PROCESS敏感信号表 变量声明语句 , BEGIN , 顺序语句 , END PROCESS 进程名 ; 进程语句中一般带有一个敏感信号表。这些信号无论哪一个发生变化都将启动进程,进 程中的程序将从上到下顺序执行一遍,产生新的结果并输出。当进程执行完毕,就返回进程 开始处,等待敏感量的新变化,引发进程的下一次执行。周而复始,循环往复,以至无穷。 4什么叫模块?区分模块与进程。
11、模块( Block )语句是结构体中的一系列并行语句的组合,适用于复杂项目的模块化设 计。模块调用必须说明属性、配置和连接关系。 模块语句的一般格式如下: 块名: BLOCK 控制条件的布尔表达式 IS GENERIC 子句 GENERIC映射; 端口子句 端口映射; 块说明部分 BEGIN 并行语句 A ; 并行语句 B ; , END BLOCK 块名 ; 模块是一个独立的子结构,可以包含PORT 语句和 GENERIC 语句, 允许设计者通过这 两个语句将模块的内部信号变化传递给模块的外部信号。同样,也可以将模块的外部信号变 化传递给模块的内部信号。 进程不是独立的硬件结构描述,进程用于
12、含有触发条件的、需要反复运行的程序结构。 5. 简述过程与函数的区别。 过程语句( procedure)结构 过程语句的一般格式如下: PROCEDURE 过程名 | 运算符号 generic子句; generic映射; parameter ( 参数列表 ) IS 子程序声明区 ; BEGIN 顺序处理语句 ; END PROCEDURE 过程名 | 运算符号; 过程语句中的输入输出参数列在过程名后面的括号里,一般地,IN 作为常量, OUT 和 INOUT 作为变量。当过程语句在主程序调用结束后,将变量OUT 和 INOUT 拷贝到调用者 的信号和变量中。 函数是具有某一特定功能的程序段,能
13、够被主程序调用。函数被调用时, 首先要初始化, 执行处理功能后,将处理结果传递给主程序。函数内部的值不能保持,函数返回后,才能被 再次调用,再次初始化。 VHDL 程序中函数语句的结构与其他语句一样,也有规定的书写格式: FUNCTION 函数名 | 运算符号 generic子句; generic映射; parameter ( 参数列表 ) RETURN 数据类型名IS 子程序声明区 ; BEGIN 顺序处理语句 ; RETURN 返回变量名 ; END FUNCTION函数名 | 运算符号; 6. 用结构化描述方法设计一个加法器。 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOG
14、IC_1164.ALL; ENTITY half_adder IS - 实体名 half_adder PORT (a,b:IN Bit; S,C:OUT Bit); - 实体端口说明 END ENTITY half_adder; ARCHITECTURE addr1 OF half_add IS- 结构体 1 的名字为 addr1 BEGIN S = a XOR b; C = a AND b; END ARCHITECTURE addr1; - - - - - - - - - - - - - ARCHITECTURE addr2 OF half IS - 结构体 2 的名字为 addr2 BE
15、GIN example: block- 模块名 example PORT (a,b: IN Bit; - 端口子句 s,c: OUT Bit); PORT MAP (a,b,s,c); - 端口映射 BEGIN P1: PROCESS (a,b) IS- 进程 1 的标号 P1 BEGIN s = a XOR b; END PROCESS P1; P2: PROCESS (a,b) IS - 进程 2 的标号 P2 BEGIN c = a and b; END PROCESS P2; END Block example; END ARCHITECTURE addr2; 7. 采用多模块设计方法
16、设计一个日历时钟 见教材。 8. 单模块的端口信号与芯片引脚是什么关系? PORT MAP 语句通过映射实现了block 块内信号和结构体信号的连接,实现了实体端口 引脚的连接,当实体端口信号发生变化时,通过映射,block 块内信号也会发生变化,即这 种信号变化被传递到了块内,block 块的行为根据新的输入信号的变化而变化。 9. 多模块的端口信号与模块间互联信号是什么关系? 一个结构体中可以含有多个模块,一个模块中可以含有多个进程。如此嵌套、循环,就构成 一个复杂的电子系统。模块的端口信号用于模块间的互联信号。多模块构成的新系统,端口 信号重新定义。 第四章习题参考答案 1 什么叫进程?
17、简述进程的工作方式。 略 2什么叫模块?区分模块与进程。 略 3用结构描述法和GENERATE 语句设计一个8 位移位寄存器。 上机编程并编译实现。 4设计一个3-8 优先级编码器。 上机编程并编译实现。 5设计一个4-16 译码器。 上机编程并编译实现。 6. 设计一个十进制计数器。 上机编程并编译实现。 7. 用生成语句设计一个数组存储阵列。 上机编程并编译实现。 8. 用断言语句、 report 语句,编写一段测试诊断报告VHDL 程序。 上机编程并编译实现。 第五章习题参考答案 1配置语句的书写格式是怎样的? 配置的一般书写格式为: CONFIGURATION 配置名OF 实体名IS
18、FOR 选配结构体名 USE ENTITY 实体名(结构体名) ; GENERIC MAP 语句; PORT MAP 语句; 块配置 END FOR; END CONFIGURATION 配置名 ; 2配置说明中的映射有哪两种方法? 形式端口与实际端口可以是名字关联映射,也可以是位置顺序关联映射。 3在配置语句中用GENERIC 指定参数,设计一个译码器。 上机编程实验。 4设计一个加法器,元件例化后放入库中备用。 上机编程实验。 5简述层次化设计的过程。 层次化设计是指在一个大型设计任务中,将目标层层分解,在各个层次上分别进行设计 的方法。在有些设计中,设计者先构建一些模块,然后再将这些模块
19、组合起来,最终完成整 个系统的设计。 有人把在整个设计任务上的层面上展开行为描述的设计方法,称为高层次设 计,而对某一模块、某一元件的结构描述称为底层设计。 6什么是库、程序包、子程序、过程调用、函数调用? 库( Library )用来存储已编译的设计单元,通过其目录可查询、调用其中的设计单元。 包( package)用来封装一些类别相近的元件。包是库中一个存储单元。多个包存储在 一个元件库中。子程序包含过程与函数。过程与函数是两种不同VHDL程序片段。反复完 成一些数学计算的元件行为,写VHDL函数较合适;反复完成某一处理过程的元件行为, 写 VHDL过程较合适。在系统设计中,过程的调用程序
20、编写,称为过程调用,函数的调用 程序的编写,称为函数调用。这些调用的前提是过程模块、函数模块在库中已经存在。 7. 编写一个OR 函数,重载它,对不同的数据类型进行OR 运算。 上机编程实验。 8. 写一段 textio 程序,并给出实验报告。 上机编程实验。 第六章习题参考答案 1CLK 信号怎样用VHDL 语言描述? 时钟上升沿的描述语句: IF clk CURRENT_VALUE = 0 AND clk EVENT AND clk LAST_VALUE = 1; 时钟下降沿的描述语句: IF clk CURRENT_VALUE = 1 AND clk EVENT AND clk LAST
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