掌握VHDL组合逻辑电路设计与仿真

掌握VHDL组合逻辑电路设计与仿真

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种用于描述电子系统硬件的语言，广泛应用于数字电路设计和仿真。本文将通过组合逻辑电路的设计和仿真案例，深入探讨VHDL的使用方法和测试台架的编写技巧。

背景简介

在数字电路设计中，组合逻辑电路是一种常见的电路形式，它包含的逻辑门没有存储功能，即输出仅取决于当前的输入。设计和实现这样的电路时，VHDL提供了一种高效且直观的方式。此外，仿真作为设计过程中不可或缺的一环，可以帮助设计者验证电路逻辑的正确性。

实现组合逻辑电路

在VHDL中实现组合逻辑电路需要编写相应的代码，并通过仿真工具来验证其功能。书中给出了几个具体实例：

图2.P6的组合电路

在VHDL中实现图2.P6所示的组合电路，需要描述电路的逻辑表达式，然后进行仿真验证。

图2.P7的多路复用器电路

实现图2.P7中所示的多路复用器电路，同样需要编写相应的VHDL代码。

测试台架编写

为了验证VHDL程序的正确性，测试台架的编写是关键步骤。测试台架允许我们向设计的电路提供输入值，并观察输出端口的值。

编写测试台架的步骤

1. 定义空的实体 ：测试台架的实体部分可以随意命名，通常会在VHDL单元的实体名称后添加后缀 "_TB"。
2. 添加架构结构 ：声明部分和主体部分显示为空，以便填充测试台架的细节。
3. 复制主程序实体 ：将被测试的VHDL程序的实体单元复制到测试台架的声明部分。
4. 更改实体为组件 ：将复制的实体单元中的"entity"更改为"component"，并删除"is"。
5. 设置初始输入值 ：在架构的声明部分提供初始值。
6. 实例化组件 ：在架构的主体部分实例化组件，并使用端口映射语句将初始值发送到输入端口。
7. 提供不同输入值 ：使用过程单元来为输入端口提供不同的测试值。

关于等待语句

在过程单元中使用等待语句可以确保对于提供的值只执行一次模拟。如果缺少等待语句，模拟将会重复执行，导致结果以周期性方式显示。

总结与启发

通过本文的学习，读者可以掌握VHDL在组合逻辑电路设计和仿真中的应用。测试台架的编写是电路验证的重要环节，它允许我们通过仿真软件观察电路的行为，从而确保设计的正确性。此外，良好的编程实践，如使用等待语句来控制模拟流程，是确保仿真结果准确性和有效性的关键。

进一步的阅读推荐

为了深入理解VHDL编程和电路仿真，推荐阅读更多关于数字电路设计的书籍，以及使用诸如XILINX ISE等仿真软件的实践指南。

参考文献

• O. Gazi, A Tutorial Introduction to VHDL Programming, Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2019.
• IEEE std 1076-2008, IEEE Standard VHDL Language Reference Manual.