vhdl语言基础

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2024年4月5日发(作者：)

第1章 VHDL语言基础

1.1 概 述

硬件描述语言（hardware description language，HDL）是电子系统硬件行为描述、结构

描述、数据流描述的语言。目前，利用硬件描述语言可以进行数字电子系统的设计。随着

研究的深入，利用硬件描述语言进行模拟电子系统设计或混合电子系统设计也正在探索中。

国外硬件描述语言种类很多，有的从Pascal发展而来，也有一些从C语言发展而来。

有些HDL成为IEEE标准，但大部分是企业标准。VHDL来源于美国军方，其他的硬件描

述语言则多来源于民间公司。可谓百家争鸣，百花齐放。这些不同的语言传播到国内，同

样也引起了不同的影响。在我国比较有影响的有两种硬件描述语言：VHDL语言和Verilog

HDL语言。这两种语言已成为IEEE标准语言。

电子设计自动化（electronic design automation，EDA）技术的理论基础、设计工具、设

计器件应是这样的关系：设计师用硬件描述语言HDL描绘出硬件的结构或硬件的行为，再

用设计工具将这些描述综合映射成与半导体工艺有关的硬件配置文件，半导体器件FPGA

则是这些硬件配置文件的载体。当这些FPGA器件加载、配置上不同的文件时，这个器件

便具有了相应的功能。在这一系列的设计、综合、仿真、验证、配置的过程中，现代电子

设计理论和现代电子设计方法贯穿于其中。

以HDL语言表达设计意图，以FPGA作为硬件实现载体，以计算机为设计开发工具，

以EDA软件为开发环境的现代电子设计方法日趋成熟。在这里，笔者认为，要振兴我国电

子产业，需要各相关专业的人士共同努力。HDL语言的语法语义学研究与半导体工艺相关

联的编译映射关系的研究，深亚微米半导体工艺与EDA设计工具的仿真、验证及方法的研

究，这需要半导体专家和操作系统专家共同努力，以便能开发出更加先进的EDA工具软件。

软件、硬件协同开发缩短了电子设计周期，加速了电子产品更新换代的步伐。毫不夸张地

说，EDA工程是电子产业的心脏起搏器，是电子产业飞速发展的原动力。本书从应用的角

度向国内广大读者介绍VHDL编程技术，让大家掌握HDL编程，了解FPGA结构，学会

使用EDA工具，为集成电路前端设计打下基础。

1.1.1 硬件描述语言的诞生

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。HDL发展的技术源头是：在HDL形成发展

之前，已有了许多程序设计语言，如汇编、C、Pascal、Fortran、Prolog等。这些语言运行

·4· VHDL程序设计教程

在不同硬件平台和不同的操作环境中，它们适合于描述过程和算法，不适合作硬件描述。

CAD的出现，使人们可以利用计算机进行建筑、服装等行业的辅助设计，电子辅助设计也

同步发展起来。在从CAD工具到EDA工具的进化过程中，电子设计工具的人机界面能力

越来越高。在利用EDA工具进行电子设计时，逻辑图、分立电子原件作为整个越来越复杂

的电子系统的设计已不适应。任何一种EDA工具，都需要一种硬件描述语言来作为EDA

工具的工作语言。这些众多的EDA工具软件开发者，各自推出了自己的HDL语言。

HDL发展的社会根源是：美国国防部电子系统项目有众多的承包公司，由于各公司技

术路线不一致，许多产品不兼容，他们使用各自的设计语言，使得甲公司的设计不能被乙

公司重复利用，造成了信息交换困难和维护困难。美国政府为了降低开发费用，避免重复

设计，国防部为他们的超高速集成电路提供了一种硬件描述语言，以期望VHDL功能强大、

严格、可读性好。政府要求各公司的合同都用它来描述，以避免产生歧义。

由政府牵头，VHDL工作小组于1981年6月成立，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HDL。1983年第3季度，由IBM公司、TI公司、Intermetrics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，并宣

布实施，即IEEE STD 1076—1987[LRM87]。1993年VHDL重新修订，形成了新的标准，

即IEEE STD 1076—1993[LRM93]。

从此以后，美国国防部实施新的技术标准，要求电子系统开发商的合同文件一律采用

VHDL文档。即第一个官方VHDL标准得到推广、实施和普及。

1.1.2 HDL语言的种类

HDL语言在国外有上百种。高等学校、科研单位、EDA公司都有自己的HDL语言。

现选择较有影响的作简要介绍。

Candence公司是一家著名的EDA公司，财力雄厚。该公司的Verilog HDL于1983年

由Gate Way Design Automatic公司的Phil Moorby首创。他在1984—1985年间成功设计了

Verilog-XL仿真器，于1986年提出了快速门级仿真的XL算法，使Verilog HDL语言变得

更加丰富和完善，从而受到了EDA工具设计公司的青睐。1989年Candence公司购买了

GDA公司，Verilog HDL语言从此变为Candence公司的“私有财产”，成为Candence公司

的EDA设计环境上的硬件描述语言。经过Candence公司的努力，Verilog HDL于1995年

成为IEEE标准，也是民间公司第一个硬件描述语言标准，即Verilog HDL 1364—1995。由

于Verilog HDL语言从C语言发展来，所以有C语言基础的设计人员能够较快入门。

ALTERA公司是一家半导体器件公司，其CPLD器件在世界市场上占主导地位。这家

公司不仅是硬件生产厂商，也是EDA工具开发商，它的EDA工具MAX+plus II、Quartus

由于人机界面友好、易于使用、性能优良，而受到FPGA、CPLD器件设计人员的欢迎。运

行在MAX+plus II环境下的VHDL语言具有C语言设计风格，好学好用，因此被众多用户

使用。

HDL语言来自不同地方，由不同语言演变而来，为了各平台之间相互转换，又推出了

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