实战EDA电子设计自动化经典入门模型VHDL代码编写（含代码解释）上篇--状态机，逻辑设计：Y=AB+C

前言

电子设计自动化（EDA）：
- 定义：EDA是用于设计和开发复杂的电子系统（如集成电路）和印刷电路板的软件工具集合。这些工具通常用于设计电路、进行仿真测试、分析电路行为以及协助制造过程。
- 应用：EDA工具广泛应用于数字和模拟电路的设计，可以帮助工程师有效地设计集成电路（IC）、电路板和整个电子系统。
- 工具示例：包括电路仿真器（如SPICE）、布局和布线工具、逻辑合成工具等。
VHDL（VHSIC硬件描述语言）：
- 定义：VHDL是一种用于描述电子系统的硬件描述语言（HDL）。VHSIC代表“超高速集成电路”（Very High Speed Integrated Circuit）。VHDL不仅可以描述电子元件的物理特性，还可以描述它们的功能特性。
- 应用：VHDL常用于编写可编程逻辑设备（如FPGA）和集成电路的代码，它使设计者能够模拟电路的行为并验证设计在物理实现之前。
- 特点：VHDL具有强大的表达能力，可以描述从简单的门电路到复杂的微处理器的任何东西。

预备知识

D触发器 (D Flip-Flop): 这是一种存储设备，用于在数字电路中存储一位（bit）信息。D触发器在每个时钟周期的边沿（通常是上升边沿）捕捉输入端（D端）的值，并将其保存到输出端（Q端）。它是同步存储元件，广泛应用于寄存器和记忆体中。
4选1多路开关 (4-to-1 Multiplexer): 这是一种可以从四个输入信号中选择一个输出的数字开关。它有两个选择输入，根据这两个选择信号的值，多路开关将其中一个输入连接到单一输出。这种设备常用于数据路由和信号选择。
移位寄存器 (Shift Register): 移位寄存器是一系列的D触发器，串联连接。它们用于临时存储数据，并可以在寄存器中向左或向右移动数据。这种设备常用于数据处理、序列生成和数据传输。
分频器 (Divider): 在数字电路中，分频器用于降低时钟信号的频率。通常，它通过计数时钟脉冲来实现，每计数到一定数值就翻转输出信号的状态。分频器在时钟管理和波形生成中非常重要。

sys_rst_n：低电平有效的复位信号

对信号十分频 (Divide-by-10): 这是一种特殊类型的分频器，它将输入频率减少到原来的十分之一。例如，如果一个时钟信号的频率是100MHz，通过十分频后，输出频率将是10MHz。
状态机 (State Machine): 状态机是描述系统状态和在这些状态间转移的模型。它根据输入和当前状态来确定下一个状态。状态机广泛用于设计复杂的逻辑控制，例如在处理器、通信协议和游戏逻辑中

经典入门模型及代码

1.状态机

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;entity FSM isport (clk : in std_logic;reset : in std_logic;input : in std_logic;output : out std_logic_vector(1 downto 0));
end entity;architecture Behavioral of FSM istype StateType is (S0, S1, S2, S3);signal currentState, nextState : StateType;beginprocess (clk, reset)beginif reset = '1' thencurrentState <= S0;   -- 初始状态为 S0elsif clk'event and clk='1' thencurrentState <= nextState;  -- 根据下一个状态更新当前状态end if;end process;process (currentState, input)begincase currentState iswhen S0 =>if input = '0' thennextState <= S1;elsif input = '1' thennextState <= S3;elsenextState <= S0;end if;when S1 =>if input = '0' thennextState <= S2;elsif input = '1' thennextState <= S0;elsenextState <= S1;end if;when S2 =>if input = '0' thennextState <= S3;elsif input = '1' thennextState <= S1;elsenextState <= S2;end if;when S3 =>if input = '0' thennextState <= S0;elsif input = '1' thennextState <= S2;elsenextState <= S3;end if;when others =>nextState <= S0;end case;end process;process (currentState)begincase currentState iswhen S0 =>output <= "00";when S1 =>output <= "01";when S2 =>output <= "10";when S3 =>output <= "11";when others =>output <= "00";end case;end process;end architecture;

这段代码是一个用VHDL（VHSIC Hardware Description Language）编写的有限状态机（FSM）的示例。有限状态机是一种行为模型，由一组状态、初始状态、输入和基于当前状态和输入变化的状态转移组成。在硬件设计中，FSM被广泛用于控制逻辑的实现。下面是代码的详细解释：

实体声明 (Entity Declaration):

entity FSM is
port (clk : in std_logic;        -- 时钟输入reset : in std_logic;      -- 复位输入input : in std_logic;      -- 外部输入信号output : out std_logic_vector(1 downto 0)  -- 二位输出信号
);
end entity;

实体（Entity） FSM定义了模块的接口，包括时钟（clk）、复位（reset）、外部输入（input）和输出（output）。

架构声明 (Architecture Declaration):

architecture Behavioral of FSM is
type StateType is (S0, S1, S2, S3);  -- 定义状态
signal currentState, nextState : StateType;  -- 当前状态和下一个状态
begin-- 其余代码
end architecture;

架构（Architecture） Behavioral定义了FSM的行为。它声明了一个名为StateType的类型，包含四个状态（S0, S1, S2, S3），以及两个StateType类型的信号currentState和nextState。

状态更新过程 (State Update Process):

process (clk, reset)
beginif reset = '1' thencurrentState <= S0;   -- 初始状态为 S0elsif clk'event and clk='1' thencurrentState <= nextState;  -- 根据下一个状态更新当前状态
end if;
end process;

这个过程定义了状态如何随时钟和复位信号更新。如果复位信号激活（reset = '1'），状态重置为S0。在每个时钟上升沿，当前状态更新为nextState。

clk'event

clk'event是一个属性，它检查clk信号是否发生了变化。在每次clk信号的值发生变化时（无论是从'0'到'1'还是从'1'到'0'），clk'event都会返回true。

状态转移逻辑 (State Transition Logic):

process (currentState, input)
begincase currentState iswhen S0 =>-- 状态转移逻辑-- 更多状态...end case;end process;

这个过程定义了基于当前状态和输入信号的状态转移逻辑。对于每个可能的状态，代码检查输入信号，并决定下一个状态是什么。

输出逻辑 (Output Logic):

process (currentState)
begincase currentState iswhen S0 =>output <= "00";-- 更多状态和对应的输出...end case;end process;

这个过程定义了在每个状态下输出信号的值。根据当前状态，输出可以是二进制的"00", "01", "10", 或 "11"。

总结:

复位: 当reset信号激活时，状态机重置到初始状态S0。
时钟驱动的状态更新: 在每个时钟周期的上升沿，状态机根据nextState更新其状态。
状态转移: 基于当前状态和输入信号，状态机决定下一个状态。
输出: 每个状态有一个对应的输出值。

这个状态机通过其输入和内部状态来确定输出和下一个状态，体现了典型的FSM行为。在实际的硬件设计中，这样的FSM可用于各种控制逻辑，如序列检测、接口管理和更复杂的系统控制等。

2.完成逻辑设计：Y=AB+C

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;entity LogicDesign isport (A, B, C : in std_logic;Y : out std_logic);
end entity;architecture Behavioral of LogicDesign is
beginprocess (A, B, C)beginif (A = '1' and B = '1') or C = '1' thenY <= '1';elseY <= '0';end if;end process;end architecture;

这段代码是一个简单的VHDL设计，表示了一个逻辑电路。这个逻辑电路有三个输入(A, B, C)和一个输出(Y)。它实现的逻辑功能是一个组合逻辑，基于输入A、B和C的值来决定输出Y的状态。下面是对这段代码的详细解释：

实体声明 (Entity Declaration):

entity LogicDesign is
port (A, B, C : in std_logic;  -- 定义三个输入A, B, CY : out std_logic        -- 定义一个输出Y
);
end entity;

实体（Entity） LogicDesign定义了电路的接口。这包括三个输入端口（A, B, C）和一个输出端口（Y）。std_logic类型用于表示二值逻辑，它可以是'0'或'1'，以及其他用于模拟或特殊情况的值。

架构声明 (Architecture Declaration):

architecture Behavioral of LogicDesign is
begin-- 过程代码
end architecture;

架构（Architecture） Behavioral描述了实体的行为。在这里，它将包含一个过程，该过程定义了如何根据输入A, B, C计算输出Y。

逻辑过程 (Logic Process):

process (A, B, C)
beginif (A = '1' and B = '1') or C = '1' thenY <= '1';  -- 如果(A和B都为1)或者C为1，则输出Y为1elseY <= '0';  -- 否则，输出Y为0end if;
end process;

这是一个组合逻辑过程，它没有时钟信号，意味着输出Y会立即响应输入A, B, C的变化。
逻辑表达式(A = '1' and B = '1') or C = '1'定义了输出Y的值。如果A和B都是'1'，或者C是'1'，那么输出Y将是'1'。在所有其他情况下，输出Y将是'0'。

逻辑功能:

这段代码实现的逻辑等效于一个有两个输入的AND门和一个OR门。AND门处理输入A和B，OR门将AND门的结果与输入C结合。具体来说：

AND: A 和 B 必须同时为 '1' 才会导致 AND 部分为 '1'。
OR: 只要 A 和 B 同时为 '1' 或者 C 为 '1'，输出 Y 就会是 '1'。

总结:

这个逻辑设计是一个简单的组合逻辑电路，没有时序逻辑（如触发器或时钟）。它展示了如何使用VHDL来描述基本的逻辑功能，这在实际的数字逻辑和FPGA/ASIC设计中是非常基础和重要的。对于任何给定的输入A, B, C的组合，输出Y都会立即反映对应的逻辑状态。