VHDL语言学习：第六课 - 组合与时序逻辑电路设计

"这是一份关于硬件描述语言VHDL的学习资料，主要针对FPGA编程爱好者，由‘侯伯亨’教授主编。课程内容包括第六课的基本逻辑电路设计，涵盖组合逻辑电路、时序电路设计和状态机设计。" VHDL（硬件描述语言）是一种用于数字系统设计的强大工具，特别适用于FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（应用专用集成电路）的设计。它允许设计师以一种接近自然语言的方式描述硬件的行为和结构，同时支持逻辑仿真和综合过程，将描述转换为实际的硬件配置。 在VHDL中，组合逻辑电路设计是基础部分，这些电路的输出仅依赖于当前的输入，不考虑历史状态。常见的组合逻辑电路包括门电路，如与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。例如，一个二输入与非门可以用逻辑表达式`y = (a AND b)'来表示，其中'`表示非操作。在VHDL中，可以使用结构化的方式（如例7-1所示）或过程（如例7-2所示）来描述这种门电路： 例7-1 使用了VHDL的结构化方法，通过`NAND`操作符直接定义了与非门的输出`y`。这里，`y <= a NAND b`等同于`y <= NOT (a AND b)`。 例7-2 则采用了一个过程（PROCESS）来描述，首先定义了一个变量`comb`存储输入的组合，然后根据`comb`的四种可能值（"00", "01", "10", "11"）设置输出`y`的值。这种方法更灵活，但相对较复杂。 时序逻辑电路则不同，它们的输出不仅取决于当前输入，还与之前的电路状态有关。这类电路通常包含存储元件，如触发器或寄存器，用于保存状态信息。状态机设计是时序逻辑电路的一个重要应用，它可以用来描述和实现具有记忆功能的系统，如计数器和控制器。 VHDL提供了一种强大的抽象层次，使得设计者能够从概念层面对系统进行描述，然后自动生成底层的逻辑门级实现。这种高级别的描述能力使得设计的验证和优化变得更加高效，也便于团队间的合作和设计复用。对于FPGA编程爱好者来说，掌握VHDL语言不仅可以提升设计能力，还能增强对数字系统工作原理的理解。