VHDL设计初步

66 第 3 章 VHD L 设计初步 二 、 信号 SIGNAL 信号类似元件内部的硬件连接线 ，是 V H D L 中最具有硬件特色的语 言要 SIG N A L 信号名 ［ ， 信号名 ］ ： 数据类型［ ：＝ 初始值］ ； SIG N A L ac ： std＿ logic＿ vector（４ DO W N T O ０） ； 信号 ac 为标准逻辑矢量型数据 ， 位宽 ５ ， 降序排列 信号 ad 为位类型数据 ， 初值取 ０
包的区别仅在于前者考虑了符号数运算 ， 而后者没有 。
那样用显示的库说明语句表达出来 。
V H DL 的每一项设计都自动将它们包含进去了 ，即 std 库的调用不必如 ieee 库 standard 程序包预定义了 boolean 、bit 、bit ＿ vector 、 integer 等 V H D L 综合器
3畅 1 VHDL 程序结构
实体和结构体两部分 。 ２ 变量的 与非 逻辑程序设计见［ 例 ３畅 １畅 １］ ， 图 ３畅 １畅 ２ 是用 Q uartus Ⅱ 生成的元件模块图 。 V H DL 程序设计的基本结构如图 ３畅 １畅 １ 所示 。 一段 V H D L 程序必须包括
图 ３畅 １畅 １ VHDL 程序设计基本结构框图
⑤ 标准逻辑位类型 std＿ logic ： 是 bit 类型的扩展 ， 除了“1 ” 和“ 0 ” 两种取值 ， ⑥ 标准逻辑矢量类型 std＿ logic＿ vector ： 是基于 std ＿ logic 的数组 ，使用时同
二 、 结构体 ARCHITECTURE 结构体作为实体的一部分 ， 用于描述设计实体的逻辑行为 、数据流程 、组织 结构等 。 结构体的基本语句结构如下 ： ［ 说明语句 ； ］ BEGIN ［ 并行语句 ； ］ A RC H I T EC T U RE 结构体名 O F 实体名 IS
一实体可有 多 个 设 计 方 案 ，因 此 可 有 多 个 结 构 体 ，但 每 个 结 构 体 的 取 名 不 能 重复 。 结构体中的说明语句是对该结构体内部将要用到的信号 、常数 、元件 、函数 和过程加以说明 。
O F 后面的实体名是与结构体对应的实体 ，也是 V H DL 程序的文件名 。 同
std 库是 V H D L 的标准库 ， 包含 standard 和 tex tio 两个程序包 ，在应用中 ，
支持的数据类型 。 仅使用这些数据类型不必引用库说明语句 。 （３） w ork 库
3畅 2 VHDL 语言要素及规则 65
设计单元和程序包 。 w ork 库自动满足 V H D L 语言标准 ，在实际调用中也不必 以显示预先说明 。 四 、 配置 CONFIGURATION
（１） ieee 库
V H DL 程序设计中常用的库有 ieee 库 、std 库 、w ork 库 。
U SE 库名 畅 程序包名 畅 项目名 ；
arith 、std＿ logic＿ signed 、std＿ lo gic＿ unsigned 这 ４ 个程序包已足够 。
业标 准 的 程 序 包 。 一 般 开 发 FPG A ／ CPLD 使 用 std ＿ logic ＿ １１６４ 、std ＿ logic ＿ std＿ lo gic＿１１６４ 是 ieee 库中最常用的程序包 。 它定义了满足工业标准的两 std＿ lo gic＿ arith 程序包在 std＿ logic＿１１６４ 的基础上定义了 signed（ 有符号数
实体名 、类属名和端口名 等 由 标 识 符 组 成 。 标 识 符 可 由 任 一 个 大 小 写 英 文字母 、任一个阿拉伯数字 和 下 划 线 组 合 而 成 。 标 识 符 的 第 一 个 字 符 必 须 是 英文字母 ，下划线的前后也 必 须 是 英 文 字 母 。 不 同 的 标 识 符 和 关 键 字 应 用 空 格隔开 。 类属表用于说明端口界面的常数参数 。 如果说类属表是实体与外界通信的 开多个不同的端口名 。 端口说明语句 POR T 的格式如下 ： POR T （ 端口名表 ： 端口模式 数据类型 ； ｛ 端口名表 ： 端口模式 数据类型｝） ； 静态通道 ， 那么端口表就是实体与外界通信的动态通道 。 端口名表用逗号“ ， ”隔
3畅 1 VHD L 程序结构 63
（１） 端口模式 端口模式用于说明数据传递的方向 ， 有输入 、 输出 、 缓冲 、 双向 ４ 种 ： ② 输出模式 O U T ： 仅允许数据从实体内部输出该端口 。 ① 输入模式 IN ： 仅允许数据经该端口从实体外部输入到实体内部 。 ③ 缓冲模式 BU FFER ： 允许数据从该端口输出的同时用于实体内部的反馈
译后都会变为蓝色 ， 本书为了便于大家学习均采用大写字母表示 。 一 、 实体 ENTITY
实体说明用于描述本设计与外部电路接口的输入 、输出端口 。 实体说明的 基本语句结构如下 ， ［ ］ 中的内容是可选项 ： E N T I T Y 实体名 IS ［ BEGIN ［ GE N ERIC（ 类属表） ； ］ ［ POR T （ 端口表） ； ］ 实体语句 ； ］
图 ３畅 １畅 ２ 与非逻辑 gate１ 的模块图
62 第 3 章 VHD L 设计初步 ［ 例 3畅 1畅 1］ 用 V H DL 描述 与非 逻辑 。 E N T I T Y gate１ IS U SE ieee畅 std＿ lo gic＿１１６４畅 A L L ； y ： O U T std＿ logic） ； 结构体描述 LIBRA RY ieee ；
在标准的 V H D L 描述中 ， 配置不是必需的语句 。
E ND 配置名 ；
END F OR ；
3畅 2 VHDL 语言要素及规则
3畅 2畅 1 数据对象
与其它高级语言一样 ， 编写 V H D L 程序时也要遵循语言要素及语法规则 。 数据对 象 （ object ） 类 似 于 存 储 单 元 ，它 接 受 不 同 数 据 类 型 的 赋 值 。 在
ieee 库是 V H D L 设计中最常用的库 ， 它包含 ieee 标准程序包和其它支持工
个数据类型 std＿ logic 和 std＿ logic＿ vector ， 并可完成位类型和标准逻辑位类型数 据间的转换 。
据类型） 、unsigned（ 无符号数据类型 ） 、small＿ int （ 小整型数据类型） ，并为其定义 了相关的算术运算符和数据类型转换函数 。 logic 型 、std＿ logic＿ vector 型数据间混合运算的 运算符和转换函数 。 两个程序 （２） std 库 std＿ lo gic＿ signed 和 std ＿ logic ＿ unsigned 程 序 包 重 载 了 在 integer 型 、std ＿
E ND ［ A RC H I T EC T U RE］ ［ 结构体名］ ；
64 第 3 章 VHD L 设计初步 结构体中的并行语句包含 ４ 种功能描述语句 ： ① 信号赋值语句 ： 用于将数据的处理结果向实体界面端口或结构体内部的 信号赋值 。 ② 进程语句 ： 用于使用顺序语句 。 ③ 元件例化语句 ： 用于对其它的设计实体作元件调用说明 ，并将此元件的 端口与其它元件 、 信号或高层次实体的界面端口进行连接 。 ④ 子程序调用语句 ： 用于调用过程或函数 ， 并将获得的结果向信号赋值 。 三 、 库 LIBRARY 库用于存放预 先 设 计 好 的 子 程 序 和 设 计 实 体 等 设 计 单 元 的 集 合 体 （ 程 序 包） ， 存放编译通过的各种设计实体（ 元件库程序包 ） 。 调用库信息的说明语句格 式如下 ： LIBRA RY 库名 ；
w ork 库是用户的 V H D L 设计的现行工作库 ，用于存放用户设计和定义的
配置用于把特定的结构体关联到一个确定的实体 ，为较大的系统设计提供 管理和工程组织 。 配置语句的格式如下 ： FOR 选配的结构体名 CO N FIG U RA T IO N 配置名 OF 实体名 IS
到， 功能相当 ， 而信号更具有硬件特征 。 一 、 常数 CONSTANT
V H DL 中 ， 数据对象有常数 、 信号 、 变量 ３ 类 。 常数和变量在软件语言中均能见
常数是指在 V H DL 程序中固定不变的数值 。 常数的说明格式如下 ： 例如 ： CO N S T A N T 常量名［ ， 常量名 ］ ： 数据类型 ：＝ 表达式 ； CO N S T A N T ac ：std＿ logic＿ vector ：＝ ″１０１１″ ； CO N S T A N T ad ： integer ：＝ １５ ；
实体是一个 V H DL 程序的基本单元 ， 由实体说明和结构体两部分组成 。
过， 生成的模块图元名就是程序的实体名 ， 如图 ３畅 １畅 ２ 所示 。
V H DL 程序的实 体 名 与 V H D L 程 序 的 文 件 名 相 同 。 一 旦 此 程 序 编 译 通
E ND ［ EN T I T Y ］ ［ 实体名］ ；
信号 。 反馈 。
④ 双向模式 IN O U T ： 允许数据经该端口流入或流出实体 ， 也允许用于内部
（２） 数据类型 型有 ：
V H DL 要求只有相同数据类型的量才能相互传递和作用 。 常用的数 据类 ① 布尔类型 boolean ： 只有“ false”（ 假） 、 “ true”（ 真） 两种取值 。 ③ 位矢量类型 bit ＿ vector ： 是基于 bit 的数组 ， 使用时需注明位宽 。 ② 位类型 bit ： 取值只有“1 ” 和“ 0” 两种 ， 可以参与逻辑运算 。
“／” 等算术运算 。 使用时需注意取值范围应与信号宽一致 。
④ 整数类型 integer ： 代表正整数 、 负整数和零 ，可以实现 “ ＋ ” 、“ － ” 、“ 倡 ” 、
ieee ； ” 和“ U SE ieee畅 std＿ logic＿１１６４畅 A L L ； ”。 样需要注明位宽 。
还定义了“ Z”（ 高阻） 、“ X ”（ 不 定 ） 等 ７ 种 取 值 。 使 用 时 需 调 用 语 句 “ LIBRA RY
库描述 实体描述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
POR T （ a ，b ： IN std＿ logic ； E ND gate１ ； BEGIN
A RC H I T EC T U RE m １ OF gate１ IS E ND m１ ；
y ＜ ＝ N O T （ a A ND b） ； V H DL 中的关键字可以用大写字母 ，也可以用小写字母 ，经 Q uartus Ⅱ 编
常量 ac 为标准逻辑矢量类型数据 ， 取值 １０１１ 常量 ad 为整数型数据 ， 取值 １５
常数的说明语句允许出现在设计单元的实体 、 结构体 、 程序包 、 块、 进程和子 程序 ， 其使用范围取决于它被定义的位置 。 如果常数在程序包中被说明 ， 则具有 程序的全局性 。 如果常数在实体 中被 说明 ，则 有效范 围 是实 体的 各个 结构 体 。 如果常数在结构体中被说明 ， 则应用范围是该结构体 。 如果常数在进程中被说 明， 则只能用在这一进程 。
素 。 信号的说明格式如下 ： 例如 ：
信号的说明和使用范围是实体 、 结构体和程序包 ， 不允许在进程和子程序中 说明 。 在结构体的并行语句中 ， 同一信号不能多次被赋值 。 三 、 变量 VARIABLE 变量无直接的硬件对应物 。 为了实现程序的算法 ，常用变量引导载体临时 存储中间数据 。 变量的说明格式如下 ： 例如 ： V A RIABLE 变量名［ ； 变量名］ ： 数据类型 ［ ：＝ 初始值］ ； 变量 ac 为标准逻辑矢量型数据 ， 位宽 ５ ， 升序排列