VHDL基础与试题解析

"这是一份关于硬件描述语言VHDL的期末考试试题，涵盖了VHDL的基础知识，包括语法、库和程序包的使用、逻辑运算、信号与变量的区别、可编程逻辑器件以及Moore和Mealy状态机的比较。" VHDL，全称Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，是一种用于描述数字系统的硬件描述语言，广泛应用于FPGA（Field-Programmable Gate Array）和ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）设计。它允许设计者以结构化的方式表达电路逻辑，便于设计验证、仿真和综合。 1. VHDL是区分大小写的，因此标识符的大小写必须一致，例如`digital__8`在语法上可能不合法，因为通常不应包含连续的下划线。而`12_bit`也是非法的，因为数值不能用作标识符的一部分。`signal`作为保留关键字是合法的，但具体是否合法要看其在代码中的使用上下文。 2. 结构体的描述方式包括实体-架构、配置和包。实体描述了硬件接口，架构描述了实现逻辑，配置则用来定制设计实例，包则包含了常量、类型和函数等共享元素。 3. 常用的库包括IEEE库，其中包含了标准逻辑类型和运算符；程序包如`std_logic_1164`提供了标准逻辑类型和操作符的定义。 4. 当一个信号处于高阻状态，即三态门的输出不连接到任何负载时，在VHDL中通常表示为`'Z'`。 5. 定义一个4位标准逻辑向量的信号宽度可以写作`signal width : std_logic_vector(3 downto 0);`，其中下标从低到高表示位序。 6. `/=`是不等于操作符，用于比较两个表达式是否不相等。 7. 逻辑运算中，`D3&D2&D1&D0`是逻辑与（AND）运算，`D3orD2`是逻辑或（OR）运算，`andnot`是逻辑非（NOT）后跟逻辑与的运算。结合题目中的值，可以计算出相应的运算结果。 8. VHDL中的赋值语句（如`<=`）是并行执行的，而if语句则在仿真时按顺序串行执行。 9. 可编程逻辑器件如FPGA、CPLD等具有灵活性、可重配置性、快速原型验证等优点，可以快速实现数字系统的设计。 10. Moore状态机和Mealy状态机都是有限状态机的实现形式，区别在于Moore状态机的输出只取决于当前状态，而Mealy状态机的输出既取决于当前状态也取决于输入。 简答题部分： 1. VHDL程序的基本结构通常包括实体（Entity）、架构（Architecture）、库和程序包引用。实体定义了接口，架构描述了实现细节。 2. 信号（Signal）和变量（Variable）的主要区别在于，信号是并行传递数据的，用于描述电路的并行行为，而变量则是串行处理，用于临时存储计算过程中的中间结果。 3. 可编程逻辑器件的优点包括：灵活的逻辑配置、可重复使用、缩短产品上市时间、低功耗以及易于修改和升级。 4. Moore状态机和Mealy状态机的异同主要体现在输出的决定因素上，前者仅根据当前状态决定输出，后者则考虑了当前状态和输入。 判断题部分涉及的代码段是VHDL的一个简单ROM（Read-Only Memory）实体和行为架构的示例。库导入语句中，`std_logic_arith`和`std_logic_unsigned`已被弃用，应使用`std_logic_vectors`代替。Port声明中的`data`应该被赋值为一个标准逻辑向量，而不是直接使用双引号内的字符串。 这份试题全面地考察了VHDL的基础知识，对于学习和理解VHDL的语法、逻辑操作以及设计方法具有很好的参考价值。