VHDL程序设计教程习题解答.docx
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VHDL程序设计教程习题解答
VHDL程序设计教程
习题参考解答
第1章思考题解答
1．什么是VHDL？
简述VHDL的发展史。
答：
VHDL是美国国防部为电子项目设计承包商提供的，签定合同使用的，电子系统硬件描述语言。
1983年成立VHDL语言开发组，1987年推广实施，1993年扩充改版。
VHDL是IEEE标准语言，广泛用于数字集成电路逻辑设计。
2．简述VHDL设计实体的结构。
答：
实体由实体名、类型表、端口表、实体说明部分和实体语句部分组成。
根据IEEE标准，实体组织的一般格式为：
ENTITY实体名IS
[GENERIC（类型表）；]--可选项
[PORT（端口表）；]--必需项
实体说明部分；--可选项
[BEGIN
实体语句部分；]
END[ENTITY][实体名]；
3．分别用结构体的3种描述法设计一个4位计数器。
答：
用行为描述方法设计一个4位计数器如下，其它描述方法，读者可自行设计。
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITYcountAIS
PORT（clk,clr,en:
INSTD_LOGIC;
Qa,qb,qc,qd:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDcountA;
ARCHITECTUREexampleOFcountAIS
SIGNALcount_4:
STD_LOGIC_vector（3DOWNTO0）;
BEGIN
Qa<=count_4（0）;
Qb<=count_4
（1）;
Qc<=count_4
（2）;
Qd<=count_4（3）;
PROCESS（clk,clr）
BEGIN
IF（clr='1'）THEN
Count_4<="0000";
ELSIF（clk'EVENTANDclk='1'）THEN
IF（en='1'）THEN
IF（count_4="1111"）THEN
count_4<="0000";
ELSE
count_4<=count_4+'1';
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDexample;
第2章思考题解答
1．什么叫对象？
对象有哪几个类型？
答：
在VHDL语言中，凡是可以赋于一个值的客体叫对象（object）。
VHDL对象包含有专门数据类型，主要有4个基本类型：
常量（CONSTANT）、信号（SIGNAL）、变量（VARIABLE）和文件（FILES）。
2．VHDL语言定义的标准类型有哪些？
答VHDL语言标准所定义的标准数据类型
（1）整数类型（INTEGERTYPE）
（2）实数类型或浮点类型（REALTYPE＆FLOATINGTYPE）
（3）位类型（BITTYPE）
（4）位矢量类型（BIT_VECTORTYPE）
（5）布尔类型（BOOLEANTYPE）
（6）字符类型（CHARACTERTYPE）
（7）时间类型或物理类型（TIMETYPE＆PHYSICALTYPE）
（8）错误类型（NOTE，WARNIING，ERROR，FAILURETYPE）
（9）自然数、整数类型（NATURALTYPE）
（10）字符串类型（TRINGTYPE）
3．简述VHDL语言操作符的优先级。
答：
在表2.1中，取反和取绝对值优先级较高，与、或逻辑运算的优先级低于算术运算的优先级。
4．哪3种方法可用来进行类型转换？
答：
进行不同类型的数据变换，有3种方法：
类型标记法、函数转换法和常数转换法。
第3章思考题解答
1．什么叫进程？
简述进程的工作方式。
答：
进程（process）是由外部信号触发执行的一段程序。
进程语句是并行处理语句，即各个进程是同时处理的，在结构体中多个Process语句是同时并发运行的。
在进程内部是顺序执行的。
Process语句在VHDL程序中，是描述硬件并行工作行为的最常用、最基本的语句。
进程Process语句中一般带有几个信号量例表，称为该进程的敏感量表。
这些信号无论哪一个发生变化都将启动Process进程。
一旦启动，进程Process中的程序将从上到下顺序执行一遍，由新变化的量引导进程产生变化结果输出。
当进程的最后一个语句执行完成后，就返回到进程开始处，等待敏感量的新变化，引发进程的再一次执行。
周而复始，循环往复，以至无穷。
这就是进程的执行过程。
2．什么叫模块？
区分模块与进程。
答：
模块（Block）语句是结构体中积木化设计语言，适用于复杂项目设计。
Block块是一个独立的子结构，可以包含PORT语句、GENERIC语句，允许设计者通过这两个语句将Block块内的信号变化传递给Block块的外部信号。
同样，也可以将Block块的外部信号变化传递给Block块的内部信号。
对VHDL语言中的Block模块进行仿真时，Block模块中所描述的各个语句是可以并发执行的，和模块中的语句书写顺序无关。
进程语句是一段程序，这段程序是顺序执行的。
3．用结构描述法和GENERATE语句设计一个8位移位寄存器。
答：
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITYshift_registerIS
PORT（a，clk：
INSTD_LOGIC；
b：
OUTSTD_LOGIC）；
ENDENTITYshift_regester；
ARCHITECTUREeight_BIT_shift_registerOFshift_registerIS
COMPONENTdff--dff元件调用
PORT（a，Clk：
INSTD_LOGIC；
b：
OUTSTD_LOGIC）；
ENDCOMPONENT；
SIGNALX：
STD_LOGIC_VECTOR（0TO4）；
BEGIN
X（0）<=a；
dff1：
dffPORTMAP（X（0），clk，Z
（1））；
dff2：
dffPORTMAP（X
（1），clk，Z
（2））；
dff3：
dffPORTMAP（X
（2），clk，Z（3））；
dff4：
dffPORTMAP（X（3），CLK，Z（4））；
dff5：
dffPORTMAP（X（4），CLK，Z（5））；
dff6：
dffPORTMAP（X（5），CLK，Z（6））；
dff7：
dffPORTMAP（X（6），CLK，Z（7））；
dff4：
dffPORTMAP（X（7），CLK，Z（8））；
B<=X（8）；
ENDARCHITECTUREeight_bit_shift_register；
4．设计一个3-8优先级编码器。
答：
参考书中第5章编码器设计。
5．设计一个4-16译码器。
答：
参考书中第5章译码器设计。
第4章思考题解答
1．配置语句的书写格式是怎样的？
答：
配置语句的书写形式为：
CONFIGURAT10N配置名OF实体名IS
FOR选配构造体名
ENDFOR；
END配置名；
2．配置说明中的映射有哪两种方法？
答：
位置关联法和名称关联法。
3．在配置语句中用GENERIC指定参数，设计一个译码器。
答：
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.std_logic_1164.ALL；
ENTITYdecodeIS
PORT（a，b，en：
INstd_logic；
Q0，q1，q2，q3：
OUTstd_logic）；
ENDdecode；
ARCHITECTUREstructuralOFdecodeIS
COMPONENTinv
PORT（a：
INstd_logic；
b：
OUTstd_logic）；
ENDCOMPONENT；
COMPONENTand3
PORT（a1，a2，a3：
INstd_logic；
O1：
OUTstd_logic）；
ENDCOMPONENT；
SIGNALnota，notb：
std_logic；
BEGIN
I1：
inv
PORTMAP（a，nota）；
I2：
inv
PORTMAP（b，notb）；
AN1：
and3
PORTMAP（nota，en，notb，q0）；
AN2：
and3
PORTMAP（a，en，notb，q1）；
AN3：
and3
PORTMAP（nota，en，b，q2）；
AN4：
and3
PORTMAP（a，en，b，q3）；
ENDstructural；
-------------------------------------------
CONFIGURATIONdecode_gen1_conOFdecodeIS
FORstructural
FORI1：
invUSEENTITYWORK.inv（inv_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>1.2ns，
Int_fall=>1.7ns，
Ext_rise=>2.6ns，
Ext_fall=>2.5ns）；
ENDFOR；
FORI2：
invUSEENTITYWORK.inv（inv_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>1.3ns，
Int_fall=>1.4ns，
Ext_rise=>2.8ns，
Ext_fall=>2.9ns）；
ENDFOR；
FORAN1：
and3USEENTITYWORK.and3（and3_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>2.2ns，
Int_fall=>2.7ns，
Ext_rise=>3.6ns，
Ext_fall=>3.5ns）；
ENDFOR；
FORAN2：
and3USEENTITYWORK.and3（and3_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>2.2ns，
Int_fall=>2.7ns，
Ext_rise=>3.1ns，
Ext_fall=>3.2ns）；
ENDFOR；
FORAN3：
and3USEENTITYWORK.and3（and3_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>2.2ns，
Int_fall=>2.7ns，
Ext_rise=>3.3ns，
Ext_fall=>3.4ns）；
ENDFOR；
FORAN4：
and3USEENTITYWORK.and3（and3_gen1）
GENERICMAP（int_rise=>2.2ns，
Int_fall=>2.7ns，
Ext_rise=>3.0ns，
Ext_fall=>3.1ns）；
ENDFOR；
ENDFOR；
ENDdecode_gen1_con；
4．计一个加法器，元件例化后放入库中备用。
答：
半加器及全加器VHDL程序设计
（1）。
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITYfull_adderIS
PORT（a，b，cin:
INSTD_LOGIC；
Sum，co:
OUTSTD_LOGIC）；
ENDfull_adder；
ARCHITECTUREfull1OFfull_adderIS
COMPONENThalf_adder
PORT（a，b:
INSTD_LOGIC；
S，co:
OUTSTD_LOGIC）；
ENDCOMPONENT；
SIGNALu0_co，u0_s，u1_co:
STD_LOGIC；
BEGIN
U0:
half_adderPORTMAP（a，b，u0_s，u0_co）；
U1:
half_adderPORTMAP（u0_s，cin，sum，u1_co）；
Co<=u0_coORu1_co；
ENDfull1；
半加器及全加器VHDL程序设计
（2）。
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITYhalf_adderIS
PORT（a，b:
INSTD_LOGIC；
S，co:
OUTSTD_LOGIC）；
ENDhalf_adder；
ARCHITECTUREhalf1OFhalf_adderIS
SIGNALc，d:
STD_LOGIC；
BEGIN
C<=aORb；
D<=aNANDb；
Co<=NOTd；
S<=cANDd；
ENDhalf1；
5．简述层次化设计的过程。
答：
层次化设计是指对于一个大型设计任务，将目标层层分解，在各个层次上分别设计的方法。
有些设计，在一些模块的基础上，通过搭建积木的方法进行设计。
有人称，在整个设计任务上进行行为描述的设计方法，称为高层次设计，而从事某一模块、某一元件行为设计称为底层设计方法。
6．什么是库，程序包，子程序，过程调用，函数调用？
答：
库（libraries）和程序包（package）用来描述和保存元件、类型说明、函数、模块等，以便在其他设计中可随时引用它们。
库（libraries）是用来存储和放置可编译的设计单元的地方，通过其目录可查询、调用。
设计库中的设计单元（实体说明、结构体、配置说明、程序包说明和程序包体）可以用作其他VHDL描述的资源。
函数和过程统称为子程序。
子程序由过程和函数组成。
在子程序调用过程中，过程能返回多个变量，函数能返回一个变量。
若子程序调用是一个过程，就称为过程调用；若子程序调用是一个函数，则称为函数调用。
过程调用和函数调用都是子程序调用。
函数的参数都是输入参数。
过程的参数有输入、输出和双向参数。
函数有顺序函数、并行函数。
过程有顺序过程、并行过程。
7.编写一个OR函数，重载它，对不同的数据类型进行OR运算。
答：
参考例4-24读者自行编写。
第5章思考题解答
1．CLK信号怎样用VHDL语言描述？
答：
时钟信号的上升沿的描述：
ifclk‘eventandclk=‘1’then…;
时钟信号的下降沿的描述:
ifclk‘eventandclk=‘1’then…;
2．异步复位怎样用VHDL语言描述？
答:
当复位信号低电平有效时,VHDL的描述为:
ifreset=‘0’then…;
当复位信号高电平有效时,VHDL的描述为:
ifreset=‘1’then…;
3．设计一个8位循环移位寄存器。
答:
8位循环计寄存器的VHDL参考程序设计如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYcircleshift8IS
PORT（seldata:
instd_logic_vector（2downto0）;
clr,clk:
INSTD_LOGIC;
sel:
OUTSTD_LOGIC_vector（7downto0））;
ENDcircleshift8;
ARCHITECTUREsampleOFcircleshift8IS
begin
process（clk,clr）
Begin
if（clr='1'）thensel<="00000000";
elsifclk'eventandclk='1'then
caseseldatais
when"001"=>sel<="00000001";
when"010"=>sel<="00000010";
when"011"=>sel<="00000100";
when"100"=>sel<="00001000";
when"101"=>sel<="00010000";
when"110"=>sel<="00100000";
when"111"=>sel<="01000000";
whenothers=>sel<="00000000";
endcase;
endif;
endprocess;
endsample;
4.设计一个六十进制计数器。
答:
60进制计数器的VHDL参考程序设计如下：
Libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
useieee.std_logic_arith.all;
--*******************************************************
Entitycounter60is
port（
cp:
instd_logic;
bin:
outstd_logic_vector（6downto0）;
s:
instd_logic;
clr:
instd_logic;
ec:
instd_logic;
cy60:
outstd_logic
）;
Endcounter60;
--*******************************************************
Architecturebofcounter60is
signalq:
std_logic_vector（6downto0）;
signalrst,dly:
std_logic;
begin
process（rst,cp）
begin
ifrst='1'thenq<="0000000";--cy（60）<='0';
elsifcp'eventandcp='1'thendly<=q（5）;
ifec='1'then
ifq=59thenq<="0000000";
else
q<=q+1;
endif;
else
q<=q;
endif;
endif;
endprocess;
cy60<=notq（5）anddly;
rst<=clr;
bin<=qwhens='1'else
"1111111";
Endb;
5.设计一个八位编码器。
答:
八位编码器的VHDL参考程序设计如下：
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITYpriotyencoderIS
PORT（d:
INStd_Logic_Vector（7Downto0）；
E1:
INStd_Logic；
GS，E0:
OUTBITSTD_LOGIC；
Q:
OUTStd_Logic_Vector（2Downto0）；
ENDpriotyencoder；
ARCHITECTUREencoderOFpriotyencoderIS
BEGIN
P1:
PROCESS（d）
BEGIN
IF（d（0）=0ANDE1=0）THEN
Y<=111；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d
（1）=0ANDE1=0）THEN
Q<=110；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d
（2）=0ANDE1=0）THEN
Q<=101；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d（3）=0ANDE1=0）THEN
Q<=100；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d（4）=0ANDE1=0）THEN
Q<=011；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d（5）=0ANDE1=0）THEN
Q<=010；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d（6）=0ANDE1=0）THEN
Q<=001；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（d（7）=0ANDE1=0）THEN
Q<=000；
GS<=0；
E0<=1；
ELSIF（E1=1）THEN
Q<=111；
GS<=1；
E0<=1；
ELSIF（d=11111111ANDE1=0）THEN
Q<=111；
GS<=1；
E0<=0；
ENDIF；
ENDPROCESSP1；
ENDencoder；
6.设计一个三八译码器。
答:
三八译码器的VHDL参考程序设计如下：
LIBRARYIEEE；
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITYdecoder3_8IS
PORT（a，b，c，g1，g2a，g2b:
INSTD_LOGIC；
Y:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））；
ENDdecoder3_8；
ARCHITECTURErtlOFdecoder3_8IS
SIGNALindata:
STD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0）；
BEGIN
Indata<=c&b&a；
PROCESS（indata，g1，g2a，g2b）
BEGIN
IF（g1=1ANDg2a=0ANDg2b=0）THEN
CASEindataIS
WHEN000=>y<=11111110；
WHEN001=>y<=11111101；
WHEN010=>y<=11111011；
WHEN011=>y<=11110111；
WHEN100=>y<=11101111；
WHEN101=>y<=11011111；
WHEN110=>y<=10111111；
WHEN111=>y<=01111111
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