Ответы экзамен ПЛИС

8-разрядный счетчик - это цифровое устройство, которое может считать от 0 до 255 (2^8 - 1) и имеет 8 выходов, каждый из которых соответствует одному разряду счетчика. Принцип работы 8-разрядного счетчика заключается в

последовательном изменении состояния каждого разряда от 0 до 1 и обратно при каждом импульсе тактового сигнала.

Счетчик может быть реализован на основе D-триггеров, где каждый триггер

соответствует одному разряду счетчика. При каждом импульсе тактового сигнала, значение на входе D каждого триггера переносится на его выход, а затем подается на вход следующего триггера. Таким образом, каждый разряд счетчика сдвигается на один бит вправо, а самый младший разряд (младший бит) переключается с 1 на 0 и начинает новый цикл счета.

Когда счетчик достигает максимального значения (255), он может быть сброшен в начальное состояние (0) с помощью внешнего сигнала сброса. Этот сигнал обычно подключается к асинхронному входу сброса всех триггеров счетчика, что приводит к установке всех разрядов в 0.

8-разрядный реверсивный счетчик - это цифровое устройство, которое может считать от 0 до 255 (2^8 - 1) и имеет 8 выходов, каждый из которых

соответствует одному разряду счетчика. Он работает по принципу счета в обратном направлении, то есть от 255 до 0.

Счетчик имеет два входа: сигнал сброса (RST) и сигнал тактирования (CLK). Когда сигнал сброса активен (обычно это логический ноль), все выходы счетчика устанавливаются в ноль. Когда сигнал тактирования поступает на вход CLK, счетчик увеличивает или уменьшает свое значение на единицу в зависимости от выбранного режима работы (в данном случае - реверсивный).

Для реверсивного счета используется дополнительный вход (UP/DOWN), который определяет направление счета. Если этот вход установлен в логическую единицу, то счетчик будет уменьшать свое значение на каждом такте CLK, а если в логический ноль - то увеличивать.

Таким образом, 8-разрядный реверсивный счетчик может быть использован

для счета в обратном направлении, например, для управления обратным отсчетом времени или для управления сигналами в обратном порядке.

20. Мультиплексор. Принципы работы и реализация на VHDL.

Мультиплексор - это комбинационная схема, которая имеет максимум 2^n входов

данных, n линий выбора и одну выходную линию. Один из этих входов данных будет подключен к выходу на основе значений линий выбора. Так как есть n строк выбора, будет 2^n возможных комбинаций нулей и единиц. Итак, каждая комбинация выберет только один ввод данных. Мультиплексор также называется Mux 1.

Мультиплексор можно реализовать на языке VHDL, который используется для описания цифровых схем и разработки интегральных микросхем программируемой логики (ПЛИС). В VHDL можно описать логику работы мультиплексора и сгенерировать код для его реализации на ПЛИС.

Вот пример кода реализации мультиплексора на VHDL:

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity mux is port (

a, b, c, d: in std_logic;

sel: in std_logic_vector(1 downto 0); y: out std_logic

); end mux;

architecture behavioral of mux is begin

with sel select

y <= a when "00", b when "01", c when "10", d when others;

end behavioral;

Этот код реализует 4-входовый мультиплексор с двумя битами выбора. Входы мультиплексора обозначены как a, b, c и d, а выход - как y. Выбор входа осуществляется с помощью двухбитного вектора sel.

21. Бинарный дешифратор. Принципы работы и реализация на VHDL.

Бинарный дешифратор - это цифровая логическая схема, которая преобразует входной код в

соответствующее значение на выходе. Работает дешифратор следующим образом: на вход дешифратора подается бинарный код, а на выходе формируется сигнал, соответствующий дешифрованному значению.

Реализация бинарного дешифратора на VHDL может выглядеть следующим образом:

```

entity binary_decoder is port

(

input_code : in std_logic_vector(3 downto 0); — входной бинарный код output_signal : out std_logic_vector(7 downto 0) — выходной дешифрованный сигнал

);

end binary_decoder;

architecture Behavioral of binary_decoder is begin process(input_code)

begin case

input_code is

when "0000" => output_signal <= "00000001"; — дешифрованное значение для кода 0000 when "0001" => output_signal <= "00000010"; — дешифрованное значение для кода 0001 when "0010" => output_signal <= "00000100"; — дешифрованное значение для кода 0010 when "0011" => output_signal <= "00001000"; — дешифрованное значение для кода 0011 when "0100" => output_signal <= "00010000"; — дешифрованное значение для кода 0100 when "0101" => output_signal <= "00100000"; — дешифрованное значение для кода 0101 when "0110" => output_signal <= "01000000"; — дешифрованное значение для кода 0110 when "0111" => output_signal <= "10000000"; — дешифрованное значение для кода 0111 when others => output_signal <= "00000000"; — значение по умолчанию, если входной код не найден end case; end

process;

end Behavioral;

```

В данной реализации используется оператор case для выбора соответствующего дешифрованного значения в зависимости от входного кода. Конструкция "when others" описывает значение по умолчанию, которое будет выводиться на выход, если входной код не найден.

22. Шифратор приоритета. Принципы работы и реализация на VHDL.

Шифратор приоритета - это цифровая логическая схема, которая в зависимости от приоритета входных

сигналов выдает на выходе код активного входа. Работает шифратор приоритета следующим образом: на входы шифратора подаются сигналы различных приоритетов, и на выходе формируется код активного входа. При этом, если несколько входов активны одновременно, то на выходе будет код входа с наивысшим приоритетом.

Реализация шифратора приоритета на VHDL может выглядеть следующим образом:

```

entity priority_encoder is port (

input_signals : in std_logic_vector(3 downto 0); output_code : out std_logic_vector(1 downto 0) );

end priority_encoder;

architecture Behavioral of priority_encoder is

begin

with input_signals select output_code <= "00" when "0001",

"01" when "0010", "10" when "0100", "11" when others;

end Behavioral;

```

Здесь мы создали сущность "priority_encoder" с входом "input_signals" и выходом "output_code". В

архитектуре "Behavioral" мы используем оператор выбора "with select", который основывается на входных сигналах и выдает на выходе соответствующий код активного входа.

23. Оператор process и его особенности. Синтаксис и примеры использования.

Оператор process - это основной блок, используемый для определения поведения или логики в VHDL.

Он позволяет описывать последовательную логику на языке VHDL и определять, какие сигналы должны обновляться на каждом такте синхронизации.

Синтаксис оператора process выглядит следующим образом:

```

process (<чувствительный список>) begin <описание поведения>

end process;

```

Чувствительный список - это список сигналов, на изменения которых процесс должен реагировать.

Пример использования оператора process:

``` process(clk) begin

if rising_edge(clk) then if reset = '1' then counter <= (others => '0'); else counter <= counter + 1; end if; end

if;

end process;

```

В данном примере определено поведение счетчика, который увеличивает себя на каждом положительном фронте тактового сигнала (clk), но сбрасывается в 0, если сигнал сброса (reset) активен.

Особенностью оператора process является то, что он описывает поведение на уровне аппаратной реализации, а не на уровне высокоуровневых алгоритмов. Это позволяет программисту точно контролировать поведение цифровой схемы на низком уровне.

24. Операторы case и if. Синтаксис и примеры использования.

Оператор case и оператор if - это операторы условного оперирования, которые используются для

выполнения различных действий в зависимости от значения условия.

Оператор case выполняет сравнение значения переменной с несколькими вариантами и выполняет соответствующее действие в зависимости от результата сравнения.

Синтаксис оператора case:

```

case <переменная> is when <значение_1> => <действие_1>; when <значение_2> => <действие_2>;

...

when others => <действие_n>;

end case;

```

Оператор if выполняет проверку условия и, если оно истинно, выполняет определенное действие.

Синтаксис оператора if:

```

if <условие> then <действие_1>; elsif <условие_2> then <действие_2>; else

<действие_3>;

end if;

```

Пример использования оператора case:

```

case input_code is when "00" => output_data <= "0000"; when "01" => output_data <= "0001"; when "10" => output_data <= "0010"; when "11" => output_data <= "0011"; when others => output_data <= "XXXX"; end case;

```

Пример использования оператора if:

```

if enable = '1' then if input_signal = '0' then output_signal <= '1'; else

output_signal <= '0'; end if; else output_signal <= 'Z';

end if; ```

25. Операторы select и when. Синтаксис и примеры использования.

Оператор select и оператор when - это также операторы условного оперирования, которые используются для

выполнения различных действий в зависимости от значения условия.

Оператор select может использоваться вместо оператора case, когда необходимо выбрать одно значение из нескольких.

Синтаксис оператора select:

```

select

when <условие_1> => <действие_1>; when <условие_2> => <действие_2>;

...

else

<действие_по_умолчанию>;

end select;

```

Оператор when используется в операторе select и этот оператор позволяет задать условие, в зависимости от которого будет выполняться определенное действие.

Синтаксис оператора when:

```

when <условие> => <действие>;

```

26. Основные типы данных. Типы std_logic и std_logic_vector.

Тип std_logic используется для работы с битовыми сигналами, которые могут принимать значения '0' или '1'.

Тип std_ulogic используется для работы с логическими сигналами, которые могут принимать любые значения от -1 до +1.

Тип std_logic_vECTOR используется для работы с многобитными сигналами, состоящими из нескольких битов. Он может иметь различную длину в зависимости от количества битов, которые необходимо хранить.

ВVHDL есть также другие типы данных, такие как enumerated, fixed, real, time, file, record, array, record и record, которые используются для работы с различными типами данных.

ВVHDL основными типами данных являются Bit, Byte, Word, Fixed, Real, String,

Enumerated, Record, File, Array, Record и Record.

Bit - это тип данных, который представляет собой двоичное число. Он может принимать

только два значения: 0 или 1.

Byte - это тип данных, который представляет восьмибитное число. Он может принимать

значения от 0 до 255.

Word - это тип данных, который представляет 32-битное число. Он может быть

представлен как signed (отрицательное число), так и unsigned (без знака).

Fixed - это тип данных, который используется для хранения фиксированного количества

бит. Он может хранить любое количество бит, начиная от одного бита и заканчивая 32 битами.

Real - это тип данных, который представляет число с плавающей запятой. Он может хранить числа с плавающей запятой в диапазоне от -3.4 × 10^38 до 3.4 ×10^38.

String - это тип данных, который представляет строку символов. Он может содержать

любые символы, включая пробелы и знаки препинания.

Enumerated - это тип данных, который представляет набор фиксированных значений. Он

может использоваться для определения различных состояний или флагов.

Record - это тип данных, который представляет структуру данных. Он может состоять из

нескольких полей, которые могут быть разных типов данных.

File - это тип данных, который представляет файл для чтения или записи. Он может

использовать различные форматы файлов, такие как ASCII или Binary.

Array - это тип данных, который представляет массив элементов. Он может содержать

любое количество элементов и может быть одномерным или многомерным.

27. Процедуры и функции на языке VHDL

В языке VHDL имеются две основные категории подпрограмм: процедуры (subprograms) и функции (subroutines). Процедуры и функции являются блоками кода, выполняющими определенные задачи и могут вызываться в любом месте основной программы. В этом разделе мы рассмотрим каждую категорию более подробно и приведем примеры использования процедур и функций в VHDL.

1. Процедуры:

Процедуры в VHDL являются блоками кода, предназначенными для выполнения определенной задачи и возвращения результата. Они могут использоваться для выполнения математических операций, инициализации значений, обработки ошибок или выполнения других задач.

Вот пример процедуры для вычисления квадратного корня:

```

procedure square_root(input_value: in integer; output_value: out integer); begin

output_value := input_value; if input_value = 0 then output_value := 0;

else

output_value := (input_value / 2); end if;

end square_root;

```

Эта процедура принимает два аргумента: значение input_value и выходной параметр output_value. Процедура вычисляет квадратный корень из входного значения и сохраняет результат в выходном параметре. Если входное значение равно нулю, то процедура возвращает ноль.

Вы можете вызвать эту процедуру в любом месте вашей основной программы, передав ей значение и присвоив результат переменной:

```

integer_value := square_root(-10, square_root_result);

```

2. Функции:

Функции в VHDL - это блоки кода, предназначенные для возврата одного или нескольких

значений на основе входных аргументов. Они могут использоваться для математических вычислений, проверки условий, генерации случайных чисел и других полезных задач. Ниже приведен пример функции для генерации случайного числа в диапазоне от 1 до 10:

```

function random_number(input_parameter: in integer): in integer; begin

random_number := trunc(random * 10); end random_number;

```

Эта функция принимает один аргумент input_parameter и возвращает случайное число в диапазоне от 1 до input_parameter. Вы можете вызвать эту функцию в любой точке вашей программы и присвоить результат переменной.

```

random_integer := random_number(10);

```

28. Packages и особенности их применения.

В языке VHDL, пакеты используются для группировки связанных элементов кода в единый модуль. Пакеты позволяют упростить структуру проекта, улучшить читаемость и поддерживать модульность.

Каждый пакет имеет свое уникальное имя, которое должно быть уникальным в проекте. Имя пакета должно начинаться с буквы и содержать только буквы, цифры и знаки подчеркивания.

Внутри пакета определяются все его элементы, такие как переменные, константы, функции и процедуры. Элементы пакета могут быть объявлены как публичные или приватные. Публичные элементы доступны для использования в других пакетах и в основной программе, а приватные элементы доступны только внутри данного пакета.