VHDL語(yǔ)言100例詳解

　　本書通過(guò)100個(gè)實(shí)例，詳細(xì)介紹硬件描述語(yǔ)言VHDL的各種語(yǔ)法現(xiàn)象及其在專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)描述中的使用方法。書后附有光盤，其中包括北京理工大學(xué)ASIC研究所自行研制的有自主版權(quán)的Talent高層次自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的多媒體演示軟件和VHDL模擬器（學(xué)習(xí)版）及100例的描述與模擬測(cè)試向量文件，讀者可直接在微機(jī)上運(yùn)行這些模擬題目，借以更深入地掌握VHDL語(yǔ)言及其使用方法。本書的突出特點(diǎn)是實(shí)用性強(qiáng)，理論聯(lián)系實(shí)際，是ASIC設(shè)計(jì)者難得的一本VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)工具書。本書適合于從事數(shù)字系統(tǒng)／ASIC自動(dòng)設(shè)計(jì)的研究、開發(fā)人員參考，也適合于尚未掌握VHDL語(yǔ)言但已熟悉高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言或ADA語(yǔ)言）的讀者學(xué)習(xí) VHDL語(yǔ)言，也可以作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息處理、電子工程和通信等專業(yè)的研究生及高年級(jí)本科生的教學(xué)參考書。

　　I.ASIC設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)人類即將邁進(jìn)21世紀(jì)，半導(dǎo)體器件制造技術(shù)高度微細(xì)化在迅猛發(fā)展。原計(jì)劃1998年實(shí)現(xiàn)0.25微米技術(shù)的生產(chǎn)，已于1997年提前實(shí)現(xiàn)；而預(yù)計(jì)2001年能實(shí)現(xiàn)的0.18微米技術(shù)的生產(chǎn)，有跡象表明今年（1999年）即可實(shí)現(xiàn)。這使得芯片的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大變化，設(shè)計(jì)制造集成度在1000萬(wàn)門以上的ASIC芯片成為可能。人們渴望已久的、在單塊芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的全部功能，即系統(tǒng)級(jí)芯片（SystemLevelIC，簡(jiǎn)稱SLIC;或System-on-Chip，簡(jiǎn)稱SoC）的設(shè)計(jì)與制造正在或已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。邁進(jìn)21世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、多媒體技術(shù)以及新型體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，隨時(shí)都在向SoC的設(shè)計(jì)與制造提出新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)是電子信息整機(jī)和集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的最完美體現(xiàn)。開展系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)工作有利于擺脫電子信息產(chǎn)品設(shè)計(jì)與集成電路電路芯片設(shè)計(jì)相脫節(jié)的局面，不但能取得重大經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠加快我們民族電子產(chǎn)品，特別是整機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展步伐。邁進(jìn)21世紀(jì)，制造技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求都向集成電路設(shè)計(jì)業(yè)提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要求設(shè)計(jì)行業(yè)能更快更好地設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)良、功能更完美、更復(fù)雜的ASIC產(chǎn)品。這迫使我們必須研究新的設(shè)計(jì)策略、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具。在策略上最重要的是設(shè)計(jì)重用（reuse）。集成電路產(chǎn)品的集成度，目前仍然保持每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍的發(fā)展速度（摩爾定律），而產(chǎn)品的生命周期卻日趨縮短，因此迫切要求提高ASIC芯片的設(shè)計(jì)速度。其中最重要的是盡可能重復(fù)運(yùn)用已有的設(shè)計(jì)成果，采用具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能單元塊（稱IP）。因此，必須重視IP的開發(fā)和重用。在設(shè)計(jì)方法方面是要研究在更高的層次上運(yùn)用設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。目前我國(guó)ASIC設(shè)計(jì)業(yè)的基本狀況是芯片設(shè)計(jì)開發(fā)工作嚴(yán)重滯后于電子產(chǎn)品發(fā)展的需求，滯后于芯片生產(chǎn)線的吞吐能力。并且設(shè)計(jì)和投產(chǎn)的ASIC產(chǎn)品門類單一，品種太少，性能較低。要改變這種狀況，急需提高設(shè)計(jì)能力。除了加強(qiáng)技術(shù)人才培養(yǎng)和設(shè)計(jì)隊(duì)伍建設(shè)外，最有效的方法之一是要大力發(fā)展高層次VHDL/Verilog自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)。II．硬件描述語(yǔ)言VHDL的出現(xiàn)與發(fā)展?fàn)顩r硬件描述語(yǔ)言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）至今約有40年的歷史，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于ASIC自動(dòng)設(shè)計(jì)的模擬驗(yàn)證和綜合優(yōu)化等方面。其最大特點(diǎn)是借鑒高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的功能特性對(duì)電路的行為與結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度抽象化、規(guī)范化的形式描述，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不同層次、不同領(lǐng)域的模擬驗(yàn)證與綜合優(yōu)化等處理，使設(shè)計(jì)過(guò)程達(dá)到高度自動(dòng)化。至80年代末，硬件描述語(yǔ)言的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入多領(lǐng)域、多層次并且迫切要求標(biāo)準(zhǔn)化和集成化。最終，只有VHDL和Verilog適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，先后成為IEEE制定的硬件描述語(yǔ)言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。VHDL語(yǔ)言的全稱是"超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言"（VHSICHardwareDescriptionLanguage）。VHDL的結(jié)構(gòu)和方法受到ADA語(yǔ)言的影響，并吸收了其他硬件描述語(yǔ)言的某些優(yōu)點(diǎn)。1986年3月，IEEE開始致力于VHDL的標(biāo)準(zhǔn)化工作，為此，成立了審查和完善VHDL的標(biāo)準(zhǔn)化小組。美國(guó)空軍全力支持這項(xiàng)工作，并與Intermetrics簽訂發(fā)展VHDL（IEEE-1076）的支撐軟件合同。1987年12月IEEE推出IEEEStd1076-1987。VHDL語(yǔ)言成為IEEE的標(biāo)準(zhǔn)后，很快在世界各地得到廣泛應(yīng)用，逐漸成為數(shù)字系統(tǒng)/ASIC設(shè)計(jì)中的主要硬件描述語(yǔ)言。1995年中國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局組織編撰并出版《CAD通用技術(shù)規(guī)范》，推薦VHDL語(yǔ)言作為我國(guó)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化硬件描述語(yǔ)言的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了增強(qiáng)VHDL語(yǔ)言的描述能力，方便設(shè)計(jì)應(yīng)用，IEEE在廣泛征求各方面意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)IEEEStd1076-1987標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改和擴(kuò)充。修訂版于1993年4月成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）標(biāo)準(zhǔn)，并于同年9月被IEEE認(rèn)可為標(biāo)準(zhǔn)，即IEEEStd1076-1993。新版本提供了共享變量（sharedVariable）、組（group）、層次化路徑名（hierarchicalpathName）、異族模塊（foreignModel）、簽名（signature）等描述機(jī)制，增加了一些邏輯和移位操作，修訂了87版中語(yǔ)法的不一致性。此外，IEEE為了促進(jìn)VHDL的應(yīng)用還成立了專門機(jī)構(gòu)VASG（VHDLAnalysisandStandardsGroup），下設(shè)多個(gè)專題組進(jìn)行有關(guān)VHDL子標(biāo)準(zhǔn)的建立工作，如VHDL綜合包標(biāo)準(zhǔn)工作組（1076.3），ASIC建模標(biāo)準(zhǔn)工作組（1076.4）、綜合互操作性工作組（1076.6）等，并已經(jīng)制訂了一系列VHDL的子標(biāo)準(zhǔn)，如VHDL模型的標(biāo)準(zhǔn)多值邏輯系統(tǒng)IEEE1164（Std-Logic包），VITAL（VHDLInitiativeTowardsASICLibraries）等。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立使得不同EDA工具間可以通過(guò)VHDL進(jìn)行各種設(shè)計(jì)信息的數(shù)據(jù)交換，無(wú)疑將推動(dòng)VHDL的更廣泛的應(yīng)用。Ⅲ.VHDL語(yǔ)言的特點(diǎn)VHDL是一種獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的語(yǔ)言，它不受某一特定工藝的束縛，允許設(shè)計(jì)者在其使用范圍內(nèi)選擇工藝和方法。為了適應(yīng)未來(lái)的數(shù)字硬件技術(shù)，VHDL還提供了將新技術(shù)引入現(xiàn)有設(shè)計(jì)的潛力。VHDL語(yǔ)言的最大特點(diǎn)是描述能力極強(qiáng)，覆蓋了邏輯設(shè)計(jì)的諸多領(lǐng)域和層次，并支持眾多的硬件模型。具體而言，VHDL較其他的硬件描述語(yǔ)言有如下優(yōu)越之處：1.支持從系統(tǒng)級(jí)到門級(jí)電路的描述，同時(shí)也支持多層次的混合描述；描述形式可以是結(jié)構(gòu)描述，也可以是行為描述，或者二者兼而有之。2.既支持自底向上（bottom-up）的設(shè)計(jì)，也支持自頂向下（top-down）的設(shè)計(jì)；既支持模塊化設(shè)計(jì)，也支持層次化設(shè)計(jì)；支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和設(shè)計(jì)重用。3.既支持同步電路，也支持異步電路；既支持同步方式，也支持異步方式。4.支持傳輸延遲，也支持慣性延遲，可以更準(zhǔn)確地建立復(fù)雜的電路硬件模型。5.數(shù)據(jù)類型豐富，既支持預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型，又支持自定義的數(shù)據(jù)類型；VHDL是強(qiáng)類型語(yǔ)言，設(shè)計(jì)電路安全性好。6.支持過(guò)程與函數(shù)的概念，有助于設(shè)計(jì)者組織描述，對(duì)行為功能進(jìn)一步分類。7.提供了將獨(dú)立的工藝集中于一個(gè)設(shè)計(jì)包的方法，便于作為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)文檔保存，也便于設(shè)計(jì)資源的重用。8.VHDL語(yǔ)言的類屬提供了向設(shè)計(jì)實(shí)體傳送環(huán)境信息的能力。9.VHDL語(yǔ)言的斷言語(yǔ)句可用來(lái)描述設(shè)計(jì)本身的約束信息，支持設(shè)計(jì)直接在描述中書寫錯(cuò)誤條件和特殊約束，不僅便于模擬調(diào)試，而且為綜合化簡(jiǎn)提供了重要信息。Ⅳ.VHDL語(yǔ)言高級(jí)綜合由于VHDL是標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言，因此國(guó)際上越來(lái)越多的高級(jí)綜合系統(tǒng)都以VHDL作為設(shè)計(jì)輸入。但是VHDL語(yǔ)言的本質(zhì)是基于模擬而非綜合的，其豐富的語(yǔ)法成份和描述機(jī)制無(wú)法且沒(méi)有必要都進(jìn)行綜合。要實(shí)現(xiàn)VHDL綜合系統(tǒng)，首先需確立VHDL的可綜合子集。國(guó)際上對(duì)VHDL可綜合子集的確立進(jìn)行了許多研究，取得了一些有意義的結(jié)果，但并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足開發(fā)綜合系統(tǒng)的需要，IEEE正積極著手VHDL可綜合子集的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并推出了征求意見(jiàn)的草案，目前國(guó)內(nèi)可查到的最新版本是IEEE1076.6/D2.0。Ⅴ.VHDL語(yǔ)言混級(jí)模合擬1.硬件結(jié)構(gòu)特性的體現(xiàn)：元件、信號(hào)與進(jìn)程VHDL具有許多與數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的概念，其中最主要的是元件，它是數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)"未知方框"的抽象。VHDL中，元件由實(shí)體與結(jié)構(gòu)體兩個(gè)概念共同描述，其中實(shí)體描述元件與外部環(huán)境的接口，其功能及結(jié)構(gòu)是完全隱蔽的。實(shí)體的功能定義在稱為結(jié)構(gòu)體的單元中，而結(jié)構(gòu)體規(guī)定設(shè)計(jì)實(shí)體輸入/輸出之間的關(guān)系。一個(gè)實(shí)體可存在多個(gè)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，即可分別以行為、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流及各種方式混合的描述手段實(shí)現(xiàn)。元件的存在使VHDL脫離普通程序語(yǔ)言的范疇，成為描述數(shù)字電路的專用硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言。VHDL中的信號(hào)概念是數(shù)字電路中連線的抽象，它是各元件、各進(jìn)程之間通信的數(shù)據(jù)通路。VHDL中的信號(hào)的狀態(tài)可影響與信號(hào)相關(guān)的進(jìn)程的運(yùn)行，體現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)各單元的輸入及輸出的關(guān)系。VHDL中的進(jìn)程完成電路行為的描述，由一系列順序語(yǔ)句組成，是VHDL設(shè)計(jì)中進(jìn)行功能描述的基本單元。由于進(jìn)程的執(zhí)行是并發(fā)的，因此在VHDL中引入delta延遲概念，用于表示時(shí)間上無(wú)窮小的模擬步，是VHDL中模擬進(jìn)程同步機(jī)制的關(guān)鍵。一個(gè)模擬時(shí)刻包括若干delta延遲，所有進(jìn)程均可能在特定條件下，在同一時(shí)刻的任一delta延遲點(diǎn)上激活。設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖有時(shí)希望忽略在delta延遲點(diǎn)上的變化，著重于計(jì)算一個(gè)模擬時(shí)刻結(jié)束時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，因此VHDL'93引進(jìn)延遲進(jìn)程的概念。此類進(jìn)程只在某一時(shí)刻的最后一個(gè)delta延遲時(shí)激活，這樣可降低處理頻度，尤其是當(dāng)用于時(shí)序檢查方面時(shí)。例如對(duì)于信號(hào)賦值語(yǔ)句S1信號(hào)S1并不是立即得到所賦的信號(hào)A的值，而是必須經(jīng)歷delta延遲之后，S1才更新為信號(hào)A的值。delta延遲在模擬中由兩階段模擬算法實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于包含以上信號(hào)賦值語(yǔ)句的進(jìn)程，在一個(gè)模擬周期內(nèi)可能頻繁激活。有時(shí)設(shè)計(jì)者希望忽略這些延遲激活，因而引進(jìn)延遲進(jìn)程概念免除不必要的delta延遲處理。因此，包含上述信號(hào)賦值語(yǔ)句的延遲進(jìn)程將僅在滿足激活條件時(shí)刻的最后一個(gè)delta延遲（即一時(shí)刻的穩(wěn)定階段）激活，激活頻度將會(huì)大大降低。延遲進(jìn)程與非延遲進(jìn)程的區(qū)別在于進(jìn)程掛起等待之后的喚醒執(zhí)行的時(shí)間不同。進(jìn)程的激活要素包括三方面：一是敏感信號(hào)集，其次是激活條件，再次是等待時(shí)間。這些條件相互制約，當(dāng)激活要素滿足時(shí)，進(jìn)程在指定時(shí)刻立即激活，所謂指定時(shí)刻可細(xì)化到某一delta延遲時(shí)刻。若是延遲進(jìn)程，則激活推遲到當(dāng)前模擬時(shí)刻的最后一個(gè)delta延遲時(shí)刻（即某一周期的穩(wěn)定狀態(tài)），且如果在最后一個(gè)delta時(shí)刻，有多個(gè)激活的延遲進(jìn)程，則這些進(jìn)程是執(zhí)行順序相關(guān)的。2.傳輸延遲、慣性延遲與閾值VHDL'87標(biāo)準(zhǔn)為信號(hào)傳輸?shù)难舆t提供兩種延遲模式：傳輸延遲和慣性延遲。其中傳輸延遲相應(yīng)于輸入波形沒(méi)有變化的傳輸，即任何寬度的脈沖均被傳送，無(wú)濾除處理，類似電流通過(guò)電線上的延遲。而慣性延遲模式，寬度小于慣性延遲的脈沖均被濾除。這種延遲模式體現(xiàn)了開關(guān)電路的特性，如果脈沖的寬度小于開關(guān)電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間，或小于指定的脈寬，則不能傳播。為了便于明確地定義最小脈寬限制，VHDL'93引入閾值（reject）的概念。3.硬件的并發(fā)性模擬VHDL的并發(fā)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先使用VHDL進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)存在并發(fā)性，即VHDL支持設(shè)計(jì)分解，可使被分解的各子部分的設(shè)計(jì)并行完成。其次，模型的設(shè)計(jì)主要由三部分組成：定義實(shí)體：確立模型與環(huán)境的接口；定義結(jié)構(gòu)體：完成模型的功能描述；定義測(cè)試部分：為模型生成測(cè)試向量，并捕獲模型輸出信號(hào)狀態(tài)以供分析。下面，通過(guò)模型的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程加以說(shuō)明。首先，在系統(tǒng)分析階段，系統(tǒng)分析者可將設(shè)計(jì)對(duì)象分為若干獨(dú)立的子元件，交給若干設(shè)計(jì)小組實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)分析者嚴(yán)格定義元件接口，并將元件之間的相互作用以文檔形式提供給各設(shè)計(jì)小組。然后，各設(shè)計(jì)小組可獨(dú)立并行地對(duì)子元件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)子元件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，確保正確性。最終，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者集成各子元件形成完整的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的并發(fā)性可大大加快整體設(shè)計(jì)進(jìn)程和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。其次，VHDL之所以稱為硬件描述語(yǔ)言，很重要的一點(diǎn)是因?yàn)樗谀M執(zhí)行上具有并發(fā)性，這點(diǎn)很適于描述電路活動(dòng)的并發(fā)性特點(diǎn)，是其他程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言所不具備的。VHDL中的進(jìn)程類似于UNIX操作系統(tǒng)中的進(jìn)程，它們的掛起、活動(dòng)均是獨(dú)立的。并發(fā)性使得VHDL的設(shè)計(jì)模擬可在并行機(jī)上進(jìn)行，這樣大大提高了模擬效率，是解決模擬時(shí)間瓶頸的方法之一。4.混合級(jí)描述及混合級(jí)模擬VHDL的描述范圍覆蓋系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯電路級(jí)，具有連續(xù)性和完整性。VHDL的結(jié)構(gòu)描述方式和行為描述方式有機(jī)結(jié)合，各描述層次之間彼此銜接，協(xié)調(diào)一致。目前，較常用的大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)方法包括基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的自底向上的設(shè)計(jì)方法和自頂向下便于早期優(yōu)化的Top-Down設(shè)計(jì)方法，以及自底向上和自頂向下相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。由于設(shè)計(jì)規(guī)模日益增大，設(shè)計(jì)復(fù)雜度急劇增加，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)起點(diǎn)偏重低層的方法，會(huì)因設(shè)計(jì)規(guī)模的龐大增加很大的工作量。因此提高設(shè)計(jì)層次，注重早期優(yōu)化，是現(xiàn)行較好的設(shè)計(jì)方式。目前，設(shè)計(jì)對(duì)象整體的設(shè)計(jì)過(guò)程經(jīng)歷多個(gè)層次。首先，在較高的抽象層次，進(jìn)行前期的概念設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；然后經(jīng)由高級(jí)綜合工具綜合，產(chǎn)生寄存器傳輸級(jí)網(wǎng)表；最后經(jīng)低層次綜合工具，形成最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，由于存在多層次設(shè)計(jì)，就需要多個(gè)層次上的模擬，VHDL模擬器可完成混合級(jí)模擬，可為各個(gè)層次的硬件設(shè)計(jì)提供有效模擬，反映設(shè)計(jì)意圖，供設(shè)計(jì)者調(diào)試其設(shè)計(jì)。是適應(yīng)當(dāng)前電路設(shè)計(jì)的最佳選擇之一。Ⅵ.VHDL語(yǔ)言高級(jí)綜合系統(tǒng)Talent以硬件描述語(yǔ)言（VHDL/Verilog）高級(jí)綜合為核心的高層次設(shè)計(jì)（HLD）方法正日益成為EDA的主流。但由于HLD跨越設(shè)計(jì)的多個(gè)層次與領(lǐng)域，完成整個(gè)流程涉及多種關(guān)鍵技術(shù)，如硬件描述語(yǔ)言可視化輸入與編譯、模擬與驗(yàn)證、綜合（行為級(jí)、RTL、邏輯級(jí)）與工藝映射等，因此國(guó)際上只有少數(shù)幾家EDA公司掌握了HLD的核心方法，所推出的相應(yīng)的EDA工具也都價(jià)格昂貴。為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，推出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高層次EDA工具，為國(guó)內(nèi)的集成電路設(shè)計(jì)業(yè)服務(wù)，北京理工大學(xué)ASIC研究所于"八五"期間進(jìn)行了VHDL語(yǔ)言高級(jí)綜合的研究，完成了原型的VHDL高級(jí)綜合及混合級(jí)模擬系統(tǒng)HLS/BIT，并在"九五"期間開展了相應(yīng)的實(shí)用化工作，研制面向?qū)嵱玫膶Ｓ眉呻娐犯邔哟巫詣?dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（命名為Talent）。Talent的系統(tǒng)目標(biāo)是利用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高層次行為功能描述，并通過(guò)綜合將設(shè)計(jì)描述自動(dòng)轉(zhuǎn)換為低層次的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的高度自動(dòng)化。其特點(diǎn)是基于硬件描述語(yǔ)言，以高級(jí)綜合為核心，從高層次進(jìn)行電路的自頂向下設(shè)計(jì)。其主要功能包括VHDL的編輯、編譯、模擬驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的自動(dòng)綜合與工藝映射，邏輯圖自動(dòng)生成等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖0.1所示，從圖中可以看出，Talent可分為設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)綜合及設(shè)計(jì)驗(yàn)證三大部分。其設(shè)計(jì)過(guò)程如下。1．利用VHDL對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能和算法描述通過(guò)Talent系統(tǒng)中VHDL智能編輯器可以方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)描述的錄入和編輯，它針對(duì)VHDL語(yǔ)言的特點(diǎn)特別提供了標(biāo)識(shí)符自動(dòng)記憶、單詞聯(lián)想及VHDL固定語(yǔ)法結(jié)構(gòu)聯(lián)想式輸入等功能。須注意進(jìn)行設(shè)計(jì)描述時(shí)應(yīng)根據(jù)Talent系統(tǒng)所確立的綜合子集，使用綜合所能接受的語(yǔ)法現(xiàn)象和描述方式。2．對(duì)VHDL設(shè)計(jì)描述進(jìn)行編譯Talent系統(tǒng)的VHDL編譯器支持VHDL87/93全集，以語(yǔ)法分析器為核心，采取語(yǔ)法制導(dǎo)、分別編譯（按次序編譯）、一次掃描等技術(shù)，使系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性。3．通過(guò)綜合自動(dòng)生成與工藝無(wú)關(guān)的RTL設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綜合又可分為數(shù)據(jù)流綜合與控制流綜合兩部分，前者自動(dòng)生成電路的數(shù)據(jù)通道部分并提取相應(yīng)的控制信息，后者將所提取的控制信息通過(guò)時(shí)序邏輯綜合及組合邏輯綜合完成控制器的綜合。其中數(shù)據(jù)流綜合子系統(tǒng)完成高級(jí)綜合的任務(wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。4．通過(guò)工藝映射與工藝無(wú)關(guān)的綜合結(jié)果轉(zhuǎn)換為與工藝相關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)綜合結(jié)果的RTL網(wǎng)表與工藝無(wú)關(guān)，當(dāng)ASIC投片制造時(shí)可根據(jù)特定的目標(biāo)工藝，通過(guò)工藝映射將綜合結(jié)果轉(zhuǎn)換成工藝廠商所接收的設(shè)計(jì)格式。Talent工藝映射子系統(tǒng)中提出了兩級(jí)RTL映射策略，即RTL工藝無(wú)關(guān)的映射與工藝相關(guān)的映射，并采取了知識(shí)制導(dǎo)的工藝映射方法。目前通過(guò)工藝映射，Talent系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)與幾種現(xiàn)場(chǎng)可編程器件開發(fā)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)，并生成實(shí)際的器件，借以完成器件實(shí)現(xiàn)電路的仿真。5．在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段利用VHDL模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)的模擬驗(yàn)證Talent系統(tǒng)的VHDL混合級(jí)模擬器（Vsim/Talent）全面支持VHDL87和VHDL93，并提供了強(qiáng)大的調(diào)試功能。其模擬核心采用事件驅(qū)動(dòng)算法，對(duì)于同步電路設(shè)計(jì)采用基于周期的算法。模擬核心采用層次模擬，保留設(shè)計(jì)原型的元件之間的互連及嵌套關(guān)系，便于加載完善、靈活的調(diào)試系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)試定位，信息查找和運(yùn)行控制，符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣。6．利用邏輯圖自動(dòng)生成工具直觀地觀察設(shè)計(jì)結(jié)果邏輯圖自動(dòng)生成工具將綜合及工藝映射的結(jié)果分頁(yè)自動(dòng)生成邏輯圖，并作為設(shè)計(jì)文檔保存。其成圖迅速，布局美觀，走線均勻合理，合乎人的閱讀習(xí)慣，并具有友好的用戶界面及縮放、滾動(dòng)等完善的編輯功能。圖0.1？Talent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Ⅶ.VHDL語(yǔ)言100例的選取與本書的撰寫目標(biāo)與其他以VHDL為輸入的EDA軟件一樣，Talent自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)者的通信界面（工具）是VHDL語(yǔ)言。應(yīng)用該系統(tǒng)完成ASIC設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的前題是，設(shè)計(jì)者必須熟練掌握VHDL語(yǔ)言，必須能夠運(yùn)用VHDL語(yǔ)言對(duì)所要設(shè)計(jì)的ASIC完成其行為功能或結(jié)構(gòu)的描述。VHDL語(yǔ)言規(guī)模很大，語(yǔ)法現(xiàn)象十分復(fù)雜。經(jīng)驗(yàn)表明，一個(gè)初學(xué)者要想達(dá)到能得心應(yīng)手地描述出一個(gè)有一定規(guī)模的ASIC芯片的程度，總需要一個(gè)學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過(guò)程。特別是對(duì)某些規(guī)模較大有實(shí)用意義的設(shè)計(jì)題目的描述，上機(jī)模擬和結(jié)果分析是一個(gè)相當(dāng)枯燥艱難的歷程。本書的撰寫恰是為縮短這一進(jìn)程，為讀者提供一個(gè)VHDL語(yǔ)言學(xué)習(xí)和借鑒的捷徑。本書選取的100個(gè)例題全部在Talent系統(tǒng)上通過(guò)編譯和模擬。其中許多題目曾用于調(diào)試和測(cè)試Talent系統(tǒng)。這些題目大致可分為4類。首先選擇組成數(shù)字系統(tǒng)/ASIC的某些基本單元，如加（減）法器、乘（除）法器、比較器、選擇器、寄存器等（第1~8例）。通過(guò)對(duì)這些單元電路的行為功能描述，闡明VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)體說(shuō)明、結(jié)構(gòu)體描述、并發(fā)進(jìn)程語(yǔ)句與激活條件、順序語(yǔ)句、變量與信號(hào)、位向量、延遲以及重載等VHDL語(yǔ)言的基本概念和描述方法。即使沒(méi)學(xué)過(guò)硬件描述語(yǔ)言的人，只要有高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言或ADA語(yǔ)言）的基本知識(shí)，也可借助這些題目的詳解掌握VHDL語(yǔ)言。其次選擇的一批例題是為了拓寬討論VHDL語(yǔ)言的一些更為重要而復(fù)雜的語(yǔ)法現(xiàn)象。特別是對(duì)一些較難理解的語(yǔ)法問(wèn)題和使用技巧，則通過(guò)反復(fù)舉例進(jìn)行充分解釋。例如數(shù)據(jù)類型、函數(shù)及七值邏輯問(wèn)題（第9~18例），死鎖與振蕩（第20~23例），分辨函數(shù)、分辨信號(hào)與屬性（第24~29例），進(jìn)程（第30~33例），類屬（第40，41，46例）以及延遲分析（第48~51例）等都有重點(diǎn)地列舉若干例題進(jìn)行深入淺出的討論。隨后開始觸及某些單元電路的應(yīng)用，例如各種功能的寄存／計(jì)數(shù)器（第52~56例），譯碼器（第57~59例），基本計(jì)算電路（第60~63例）及有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)（第64和65例）等等。通過(guò)這些舉例讀者可進(jìn)一步深入而全面地理解和掌握前述語(yǔ)法現(xiàn)象的使用方法。最后給出某些有一定實(shí)用意義的舉例。如DSP（第66和67例），整機(jī)性的設(shè)計(jì)舉例（第68~77、90~93例），四位微處理器芯片Am2901和Am2910（第78~89例）以及流水線結(jié)構(gòu)的RISC機(jī)（第94~100例）。這些舉例具有典型性和實(shí)用性。它們的VHDL描述較長(zhǎng)，語(yǔ)法結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。讀者需熟悉它們的組成原理和體系結(jié)構(gòu)后，再來(lái)分析相應(yīng)的VHDL源描述。弄清楚這些描述，非常有利于您用VHDL進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)工作。附錄Ⅰ中的100例內(nèi)容一覽表，摘要給出每一例涵蓋的基本語(yǔ)法內(nèi)容，可供讀者迅速查尋所需要參考的題目。為了使讀者準(zhǔn)確掌握與理解VHDL語(yǔ)言的用語(yǔ)，附錄Ⅱ特地給出VHDL語(yǔ)言專用術(shù)語(yǔ)的中英文對(duì)照表。書后所附光盤給出Talent系統(tǒng)的多媒體演示系統(tǒng)、100例描述和模擬測(cè)試向量的全部有關(guān)文件，以及Talent系統(tǒng)VHDL模擬器（學(xué)習(xí)版本），讀者可在熟讀附錄Ⅲ的Vsim/Talent使用方法后，到微機(jī)上直接運(yùn)行這些模擬文件，借以更深入地掌握有關(guān)的內(nèi)容。劉明業(yè)教授主持本書稿的撰寫，并最后統(tǒng)稿全書。參加撰寫工作的有石峰副教授/博士、韓曙副教授、張東曉博士、袁媛、陳東瑛、劉沁楠、吳清平、刁嵐松、王作建、李春、李杰、謝巍、張儉鋒等13位同志。葉梅龍教授精心審閱了本書各例的初稿，并進(jìn)行了修改，使全書撰寫格式和措辭用語(yǔ)等趨于統(tǒng)一和規(guī)范，同時(shí)歸納出書后附錄Ⅰ的一覽表。袁媛為本書稿的校對(duì)、改錯(cuò)和部分錄入工作付出了大量艱辛的勞動(dòng)。本書的素材是作者們多年從事科研開發(fā)工作的積累。他們的工作長(zhǎng)期以來(lái)得到國(guó)家"八五""九五"科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)防微電子技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及國(guó)家教委博士點(diǎn)建設(shè)基金項(xiàng)目的支持。對(duì)上述有關(guān)部委、國(guó)防科工委、電科院、北京華大集成電路設(shè)計(jì)中心、兵科院及北京理工大學(xué)的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、師長(zhǎng)和朋友的長(zhǎng)期關(guān)懷、指導(dǎo)和幫助，作者在此謹(jǐn)致以誠(chéng)摯的謝意。限于我們的工作實(shí)踐和認(rèn)識(shí)水平，書中難免存在缺點(diǎn)、疏忽甚至錯(cuò)誤。懇切希望廣大讀者批評(píng)指正。