VHDL语言基础：并行语句在FPGA设计中的应用

本文主要介绍了VHDL语言中的并行语句，包括简单信号赋值语句、元件例化语句以及实体和架构的基本结构。此外，还通过实例展示了1位半加器的设计，分别使用逻辑门描述和真值表描述方法。 在VHDL中，设计硬件系统时，主要通过并行语句来描述硬件行为。`ARCHITECTURE` 部分定义了实体的行为，其中包含了各种并行语句。`ENTITY` 部分用于声明一个硬件实体，它定义了实体的输入、输出接口。例如： ```vhdl ENTITY entity_name IS PORT (port_name_list); END ENTITY entity_name; ``` 在`ARCHITECTURE`部分，我们通常会看到简单的信号赋值语句，如： ```vhdl signal_name <= expression; ``` 这用于将表达式的值赋给信号。例如，在半加器的设计中，我们可能有： ```vhdl co <= a AND b; so <= a XOR b; ``` 这里，`co` 和 `so` 是输出信号，`a` 和 `b` 是输入信号，`AND` 和 `XOR` 是逻辑操作符。 另外，元件例化语句用于在设计中引用已定义的元件，如： ```vhdl COMPONENT component_name IS PORT (port_name_list); END COMPONENT component_name; instance_name : component_name PORT MAP ( port_name => connected_port_name, ... ); ``` 元件例化语句允许我们将一个已经定义好的硬件模块（元件）作为子系统嵌入到更大的设计中。 在VHDL中，库的调用是必要的，以使用标准库中的元件和函数。例如： ```vhdl LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ``` 这些库提供了常用的数据类型和运算符，如 `STD_LOGIC` 和逻辑操作符。 对于1位半加器，我们可以用逻辑门或者真值表的方式来描述其功能。逻辑门描述方法直接使用 `AND`、`XOR` 等门级元素来表示半加器的计算过程。而真值表描述方法则通过`CASE`语句根据输入`ab`的四种可能状态来决定输出`co`和`so`的值。 在真值表描述方式中，我们可以看到如下代码： ```vhdl PROCESS (ab) BEGIN CASE ab IS WHEN "00" => co <= '0'; so <= '0'; WHEN "01" => co <= '0'; so <= '1'; WHEN "10" => co <= '0'; so <= '1'; WHEN "11" => co <= '1'; so <= '0'; WHEN OTHERS => NULL; END CASE; END PROCESS; ``` 这个进程根据输入`ab`的二进制值，执行相应的赋值操作，实现半加器的功能。 总结来说，VHDL的并行语句使得我们能以硬件思维来描述数字系统，通过信号赋值和元件例化实现复杂的逻辑功能。无论是逻辑门的直接描述还是基于真值表的控制流描述，都为我们提供了灵活的设计手段。