VHDL程序基本结构
第四讲VHDL语言基础知识
关键词 VHDL 实体 逻辑功能
此两处必须同名
逻辑行为描述
1、实体
格式
ENTITY 实体名 IS [GENERIC ( 类属表 );] [PORT ( 端口表 );] END 实体名;
说明
实体说明所设计的逻辑电路的输入、输 出信号及其特性（输入(in)输出(out)、双向 (inout)、buffer）
•文件（FILES）是传输大量数据的客体，包含一些专门数据 类型的数值。
对象说明的一般格式是： <对象类型> < 标识符表>：<子类型说明> <信号种类>： =<表达式>; 说明 标识符 <子类型说明>是类型名或类型名加限制条件 <信号种类>为BUS或REGISTER，该项为任选项 ：=<表达式>为对象赋初值
IS
一个包集合由包集合标题和包集合体两 大部分组成。 包集合体是一个可选项。
5、库
格式
LIBRARY 库名； USE 库名. 程序包名. All；
USE语句的使用有两种常用格式： USE 库名.程序包名.项目名 ； USE 库名.程序包名.ALL ；
VHDL库的种类
• IEEE库：IEEE标准库, 是按IEEE组织制定的 工业标准进行编写的， 是内容丰富的资源库 使用需声明 • •STD_LOGIC_1164 程序包 •STD_LOGIC_ARITH 程序包 •STD_LOGIC_UNSIGNED 程序包
STD库：VHDL标准库，STANDARD和 TEXTIO程序包即收入在STD库中 使用无需声明
VHDL库的种类
• • •
ASIC库：EDA厂商提供库 使用需声明 WORK库：现行作业库，当前工作目录的所有设计 使用无需声明 USER库：用户自定义库 使用需声明
vhdl程序的基本结构vhdl程序一般由5个部分组成
块语句
块标号:BLOCK[保护表达式] [类属子句;] [端口子句;] [块说明部分;] BEGIN
<块语句部分;>
; END BLOCK 块标号
类属子句用于参数的定义；端口子句用于信号的定义； 块说明部分对该块要用到的信号、常数、元件和子程序 等进行说明；块语句部分对该块的功能进行描述，块语 句部分的语句是并行执行的，和书写顺序无关。
缺省说明: library std; use std.standard.all;
常用库及其程序包
IEEE: IEEE认可的标准库 std_logic_1164:定义了 std_logic, std_logic_vector, std_ulogic, std_ulogic_vector 等数据类型
VHDL 程序的基本结构
设计实体
实体说明
构造体
设计实体的组成
实体说明
Entity <实体名> is
[类属说明;] [端口说明;]
[实体说明部分;] [实体语句部分;] End [entity]<实体名>;
最简单的例： entity nothing is end nothing;
实体说明--类属说明
类属为设计实体和外部环境通讯的静态通信提供通道。可以定
实体说明--实体语句部分
是设计实体接口的共同部分。只能由并行断 言语句、并行过程调用语句、被动进程语 句组成，且不能在语句中给信号赋值。
设计实体
实体说明
构造体
设计实体的组成
构造体
architecture <构造体名> of <实体名> is
[构造体说明语句;]
Begin
<功能描述语句;>
第1章VHDL语言基础
位矢量（BIT_VECTOR）。若端口定义为BIT，则其信号值 是一个1位的二进制数，取值只能是0或1；若端口定义为 BIT_VECTOR，则其信号值是一组二进制数。
➢ 在电路中，如果实体代表一个器件符号，则结构体描述了 这个符号的内部行为。当把这个符号例化成一个实际的器 件安装到电路上时，则需用配置语句为这个例化的器件指 定一个结构体(即指定一种实现方案)，或由编译器自动选一 个结构体。
1. 结构体的一般语句格式 ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS [说明语句;] BEGIN [功能描述语句;] END [ARCHITECTURE] [结构体名]；
1.1 VHDL程序基本结构
一、VHDL程序设计约定 ➢ 语句结构描述中方括号“[ ]”内的内容为可选内容。 ➢ 对于VHDL的编译器和综合器来说，程序文字的大小写是不
加区分的。 ➢ 程序中的注释使用双横线“- -”。 ➢ 源程序命名与实体同名（MAX+plus Ⅱ要求）。
二、VHDL程序设计引例（ 74LS00的设计 ）
③ 信号赋值语句将设计实体内的处理结果向定义的信号或界面 端口进行赋值。
④ 子程序调用语句用于调用一个已设计好的子程序。
⑤ 元件例化语句对其他的设计实体作元件调用说明，并将此元 件的端口与其他的元件、信号或高层次实体的界面端口进行 连接。
A
A NAND2
Y
Y
B
B
(a)
A1
A NAND2
U1 Y
Y1
B1
B
A2
A NAND2
EDA技术实用教程(潘松第5版)第3章-VHDL设计初步
库—STD库
VHDL定义了两个标准程序包，即STANDARD和 TEXTIO（文件输入/输出）程序包，它们都收入在 STD库中，可随时调用。由于STD库符合VHDL语言 标准，在应用中不必用打开库语句。即
LIBRARY
STD；
STD.STANDARD.ALL
是不必要的。
库— WORK库
WORK库是用户的VHDL设计的现行工作库，用 于存放用户设计和定义的一些设计单元和程序包。 WORK库自动满足VHDL语言标准，在实际调用中， 也不必显示预先说明，即不必在VHDL程序中明确 打开并指定。 基于VHDL所要求的WORK库的基本概念，利用 VHDL进行设计时，不允许在根目录下进行，而是 必须为此设定一个文件夹，用于保存所有此项目 的设计文件，VHDL综合器将此文件默认为WORK库。 还要注意的是，工作库并不是这个文件夹的名字， 而是一个逻辑名。综合器将指示器指向该文件夹 的路径。
库的用法
例：
LIBRARY
USE
IEEE；
IEEE.STD_LOGIC_1164.STD_ULOGIC；
USE
IEEE. STD_LOGIC_1164.RISING ＿EDGE；
表示向当前设计实体开放了IEEE. STD_LOGIC_1164程序包中的RISING＿EDGE函数， 但由于此函数要用到IEEE. STD_ULOGIC，所以在 其前面加了一条USE语句，开放同一程序包中的这 一数据类型。
设计实体
结构体 (Architecture) (P62)
结构体用于描述设计实体的内部结构和实
体端口间的逻辑关系，在电路上相当于器件的内
部电路结构。结构体由信号声明部分和功能描述
语句部分组成。信号声明部分用于结构体内部使
VHDL语言的基本结构
4
一、VHDL语言设计的基本单元及其构成
3）端口说明 PORT(端口名{,端口名}:方向 数据类型； 是对设计实体与外部接口 的描述，即对元件引脚、 ┇ 数据类型和I/O方向的描述 端口名{,端口名}:方向 数据类型); 1端口名
设计实体
进程 或其它并行结构 结构体 n （ARCHITECTURE 进程 或其它并行结构
配置（CONFIGURATION）
VHDL程序设计实体的一般结构
2
VHDL语言的基本结构
主要内容
一、 VHDL语言设计的基本单元及其构成 二、 VHDL语言构造体的子结构描述 三、 包集合、库及配置
3
一、VHDL语言设计的基本单元及其构成
VHDL语言
15
二、VHDL语言构造体的子结构描述
【例】4位二进制加法计数器构造体逻辑描述。
SIGNAL cnt4:INTEGER RANGE O TO 15; ... PROCESS(clk,clear,Stop) BEGIN IF clear='0' THEN cnt4<=0; ELSIF clk'EVENT AND clk='1' THEN IF stop='0' THEN cnt4<=cnt4+1; END IF; END IF; END PROCESS; --注意cnt4的数据类型
存盘文件 为 bpac.vhd
(完整版)VHDL复习
百度题库VHDL复习资料1.一个完整的VHDL程序，一般有哪几部分组成，它们分别描述的是什么？答：、VHDL程序的基本结构由（库）、（程序包）、（实体）、（结构体）和（配置）组成。
2.IF THEN语句、case when语句、with select语句各是什么类型语句，顺序语句必须放在什么地方？答：IF THEN语句与case when语句是顺序语句，with select语句是并行语句，顺序语句必须放在进程中。
3.结构体中常用的功能描述方式有几种？答：1）行为描述方式 2）数据流描述方式 3）结构化描述方式4.QuartusⅡ是CPLD/FPGA集成开发软件，基于QuartusⅡ软件进行设计开发，包括几个步骤，分别是什么？答：步骤分别是：1）新建项目 2）设计输入 3）分析综合及设计编译4）时序仿真 5）引脚分配及下载配置5.1987VHDL标准中规定标识符由什么组成，有什么具体要求？答：标识符可以由英文字母，数字，下划线“-”等组成选择填空1.在VHDL语言中，下列对时钟边沿检测描述中，错误的是（ D ）。
A.if clk’event and clk = ‘1’ thenB. if falling_edge(clk) thenC. if clk’event and clk = ‘0’ thenD.if clk’stable and not clk = ‘1’ then2.一个项目的输入输出端口是定义在（ A ）。
A.实体中B.结构体中C.任何位置D.进程体3. 下列语句中，不属于并行语句的是（ B ）。
A.进程语句B.CASE语句C.元件例化语句D.WHEN…ELSE…语句4.描述项目具有逻辑功能的是（ B ）。
A.实体B.结构体C.配置D.进程5.关键字ARCHITECTURE定义的是（ A）。
A.结构体B.进程C.实体D.配置6.关键字ARCHITECTURE定义的是( A )。
A.结构体B.进程C.实体D.配置7.QUARTESII中编译VHDL源程序时要求（ A ）。
一个VHDL设计由若干个VHDL文件构成,每个文件主要包含
2.函数语句
1）格式： function 函数名 （参数1，2…) return 数据类型名 is
[定义语句]
begin 顺序语句 [返回变量名] end 函数名；
子程序可定义在进程、包和构造体中。例2-9为定义在包 中的例子。定义了一 个max 函数。
1)当卫式表达式为真时， 带guarded的语句被执行；
2)卫式块不能综合；
3 ）after语句不能综合；
d q
begin
q<=guarded d after 5ns; qb<=guarded not(d) after 7ns; end block G1;
clk
qb
2.2.2进程（process)语句结构描述
⑥由例2-10可知，bpac包存放在newlib库中。
2.3 包集合、库及配置
包集合、库及配置是三个可独立编译的源设计 单元。
2.3.1库(Library) 库专门存放预先编译好的程序包、实体、构造体和配 置等，这样它们就可以在其它设计中被调用。库的功能类 似一个子目录或文件夹。使用库时，要进行库说明。
第2章 VHDL语言程序的基本结构
一个VHDL设计由若干个VHDL文件构成，每个文件主 要包含五个部分的一个或全部：在max+plusⅡ中后缀为 （VHD).
1.程序包 ( Package ) 2.实体 （Entity) 3.结构体 (Architecture) 4.配置（configuration) 5.库（library)
1.process语言结构 [进程名]：process(信号1，信号2,…) Begin … End process; Architecture connect Of mux is Signal tmp: Bit; Begin cale: Process(d0,d1,sel) Variable tmp1,tmp2,tmp3:Bit; Begin tmp1:=d0 AND sel; tmp2:=d1 AND (NOT sel); tmp3:= tmp1 OR tmp2; tmp<=tmp3; q<=tmp AFTER m; END PROCESS; END CONNECT;
复习资料VHDL大题
信号和变量的主要区别：
1. 变量 是一个局部量，只能用于进程或子程序中；
信号 是一个全局量，它可以用来进行进程之间的通信。 2. 变量赋值 立即生效，不存在延时行为；
信号赋值 具有非立即性，信号之间的传递具有延时性。
3. 变量 用作进程中暂存数据的单元； 信号 用作电路中的信号连线。
4. 信号赋值 可以出现在进程中，也可以直接出现在结构体中，但它们 的运行含义不同：前者属顺序信号赋值，此时的赋值操作要视进程是否已被
2. 敏感信号等待语句，即敏感信号一旦发生变化将
3例. 1条：两件n利个a等n条用d待x件W：语才A句I能T。语结被P句束R此O设挂语C起计E句S状与挂S 态非起，门的重电进新路程结出启需。束敏动满挂感：足起信如，号再表下次的启进动程进中程 不。 能使VH用D任L规何定形，式已的列
➢ ➢
条此件信。件号表改达变式后中，B所E且含G满4WyI信N.<足A=号aI超W故TN发A时AO不生INNT等再D语了a待b，讨句变；W任语b所A论何化；I句T地设；）语方的（。句。条此。一语般句，不WA可IT综语合句可，用于进程中的
\100$\， \2chip\， \4screens\等。 (5) 扩展标识符中允许多个下划线相连。例如： \Four_screens\，
\TWO_Computer_sharptor\等。 (6) 扩展标识符区分大小写。例如: \EDA\ 与\eda\不同。 (7) 扩展标识符与短标识符不同。例如:\COMPUTER\ 与Computer不同。
复习资料VHDL大题
硬件描述语言 VHDL ：
VHDL 的英文全名是VHSIC (Very High
Speed Integrated Circuits) Hardware Description Language ，即超高速集成电 路硬件描述语言。
第2章 VHDL语言基础
End 实体名;
端口名
端口模式
数据类型
（2）ENTITY
端口模式（MODE）有以下几种类型： IN ；OUT；INOUT ；BUFFER 端口模式可用下图说明：（黑框代表一个设计或模块）
IN
OUT
BUFFER
INOUT
二输入与门电路设计范例
Library std; Use std.standard.all;
（4）CONFIGURATION定义区
定义格式： Configuration 配置名 of 实体名 is for 选用的结构体名 end for； end configuration 配置名 ；
二输入与门电路设计范例
a c
b电Leabharlann 真值表abc
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
二输入与门电路设计范例
Architecture Na of and2 is
‘1’; 符号<=为信号直接赋值符。
End Na;
--结构体Na
Architecture Nb of and2 is
Begin
c <= a and b;
--and 为逻辑与操作
End Nb; --结构体Nb
Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all;
Entity half_adder is Port( x,y : in std_logic;sum,carry : out hlf_adder); End half_adder;
（4）CONFIGURATION定义区
一个完整VHDL电路设计必须有一个实体 和对应的结构体，即实体和结构体对构成一个 完整的VHDL设计。
VHDL与数字电路设计PPT课件-第一章VHDL程序的基本结构
ARCHITECTURE dataflow OF eqcomp4 IS BEGIN
equal <= ‘1’ WHEN a=b ELSE ‘0’; END dataflow;
VHDL 对大小写不敏感
每行；结尾 关键字END后 跟实体名
关键字BEGIN
关键字END后 跟构造体名
8
VHDL与数字电路设计
1
h
目录
一 基本结构 二 库和程序包 三 实体 四 结构体 五 配置
2
h
1、基本结构
如图代表的是一个芯片的内部俯视图，下面范例 介绍如何使用VHDL程序设计该芯片电路。
Pin48
Pin7
3
h
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
h
2、库和程序包
LIBRARY（库）是用于存放预先编译好的设计单元（实体 说明、结构体、配置说明、程序包说明和程序包体等）。
PACKAGE （程序包）中定义了基本的常数，数据类型，元 件及子程序等。
作用：
声明在实体和结构体定义中将用到的数据类型、元件 或子程序等。
声明格式:
LIBRARY <库名>; USE <库名>.<程序包名>.ALL; USE <库名>.<程序包名>.<程序包中的项目>;
LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL;
二VHDL语言程序的基本结构
例2-1是一个最基本的设计单元，只有实体和构造体就行 了。如前所述，它描述的是一个二选一选择器电路。利用EDA 工具可以对它进行编译、综合生成TTL的器件。
该设计单元仅由实体和构造体这两个描述部分组成。这是 有条件的：
第一，在实体和构造体中所使用的数据类型一定是在STD 库中定义的，如BIT类型。STD库已自动挂接在VHDL语言的 编译器中，因而无需在设计单元描述中进行独立的库声明。
q: OUT BIT)； END mux2； ARCHITECTURE connect OF mux2 IS SIGNAL tmp: BIT； BEGIN；
PROCESS(d0，d1，sel)； VARIABLE tmp1，tmp2，tmp3: BIT；
BEGIN； tmp1=d0 AND sel； tmp2=d1 AND(NOT sel)； tmp3=tmp1 OR tmp2； tmp<=tmp3； q<=tmp AFTER m； END PROCESS；
库(Library)说明、包集合(Package)说明、实体(Entity)描 述、 构造体(Architecture)描述和配置(Configuration)描述。
1．最基本的设计单元构成 一个最基本的设计单元由实体和构造体两部分组成， 如例2-1所示。
【例2-1】
ENTITY mux2 IS PROT(d0，d1，sel: IN BIT；
VHDL语言描述数字系统的基本方法
在电原理图中，如果要描述一个“与门”，那么 在图上画出一个“与门”的逻辑符号就行了，如图1所 示。
a& c
b
图1 “与门”的逻辑符号描述
人们看到了这个逻辑符号(如图1所示)，就会联想到两件事：
第3章_VHDL语言程序的基本结构
VARIABLE tmp1,tmp2,tmp3:BIT;
BEGIN tmp1:=d0 AND sel;
构造体
tmp2:=d1 AND (NOT sel);
tmp3:=tmp1 OR tmp2;
tmp<=tmp3;
q<=tmp AFTER m;
END PROCESS cale;
END ARCHITECTURE connect;
该 例 中 BIT 类 型 用 STD_LOGIC 说 明 ， 而 bus 则 用 STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0）说明。 在用STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR说明时，在实体说明以前 必须增加例中所示的两个语句，以便在对VHDL语言程序编译时，从 指定库的包集合中寻找数据类型的定义。
END BLOCK cale; END connect;
END ARCHITECTURE behav;
信号定义和端口说明的语句一样，应有信号名和 数据类型的说明。因它是内部连接用的信号，故没有 也不需要有方向说明。
3、 并行处理语句
并行处理语句处于语句BEGIN和END之间，这 些语句具体地描述了构造体的行为及其连接关系。例 如，二选一的数据流方式描述可以写为：
第三章 VHDL语言程序的基本结构
VHDL语言程序的五个组成部分
库说明
包集合说明
基 实体说明
本 单
元 构造体描述
配置语句
库存放已编译的实体、构造体、包集合、和配 置。相当于书库。 包集合存放各设计模块能共享的数据类型、常数和 子程序。相当于书架。
实体用于说明所设计的系统的外部接口信号。
构造体用于描述系统内部的结构和行为。
硬件描述语言(VHDL)
(1)体内配置指定
(2)体外配置说明
由于体外配置语句是一个独立的编译单位， 故需给它指定一个单位名—配置名。实体 名和结构体名为需对例元做配置的实体及 相应的结构体。
(3)直接例化
二. VHDL语言的数据对象，数据类型
TYPE week IS(sum,mon,tue,wed,thu,fri,sat);
2.整数，实数(Integer,Real)类型 格式：TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义约束范围
TYPE twos IS INTEGER RANGE –32768 TO 32767; TYPE voltage IS REAL RANGE 0.0 TO 10.0;
结构体的子结构描述：
BLOCK,PROCESS,SUBPROGRAM三种语句结构
1. BLOCK语句结构描述
格式: 块结构名: BLOCK BEGIN ….
END BLOCK 块结构名；
在对程序进行仿真时，BLOCK语句中所描述的各个语 句是可以并发执行的，它与书写顺序无关。 卫式BLOCK语句的格式:：BLOCK [卫式布尔表达式]； 当卫式布尔表达式为真时，BLOCK语句执行。
为了能重复使用这些函数和过程，这些程 序通常组织在包集合库中。 (1)多个过程和函数汇集在一起就构成一个 包集合（Package)。 (2)n个包集合汇集在一起就形成一个库 （Library)。
(三) 包集合，库及配置
1.库(Library):它是一个经过编译后的数据的集合， 存放包集合EE库，STD库，ASIC矢量库， WORK库，用户定义库。
VHDL语言的结构
BEGIN
[功能描述语句]
END 结构体名；
2.1 结构体名 结构体名由设计者自行定义，OF后面的 实体名指明了该结构体所对应的是哪个实体。 有些设计实体有多个结构体，这些结构体的 结构体名不可相同，通常用dataflow（数据 流）、behavior（行为）、structural（结构）
命名。这3个名称体现了3种不同结构体的描
实体语句结构如下：
ENTITY 实体名 IS [GENERIC（类属表）；] [PORT（端口表）；]
END ENTITY 实体名；
例： ENTITY or2 IS
PORT（a，b：IN STD_LOGIC;
C: OUT STD_LOGIC);
END ENTITY or2；
注意：实体应以语句“ENTITY 实体名 IS”开始，语句“END ENTITY 实体名；” 结束。 在层次化系统设计中，实体说明是整个 模块或整个系统的输入输出（I/O）接口； 在一个器件级的设计中，实体说明是一个 芯片的输入输出（I/O）。
图中5种功能描述语句的基本组成和功能分别 是：
块语句是由一系列并行语句构成的组合体， 它的功能是将结构体中的并行语句组成一个 或多个子模块。
进程语句定义顺序语句模块，用以将从外部 获得的信号值或内部运算数据向其他的信号 进行赋值。
信号赋值语句将设计实体内的处理结果向定 义的信号或界面端口进行赋值。 子程序调用语句可以调用进程或参数，并将 获得的结果赋值于信号。 元件例化语句对其他的设计实体做元件调用 说明，并将此元件的端口与其他元件、信号 或高层实体的界面端口进行连接。 各语句后面将介绍
PROCESS语句的结构
[进程标号] PROCESS [（敏感信号表）] [IS] [进程说明语句] BEGIN 顺序描述语句
VHDL基本结构与语法
第5章 VHDL 基本结构与语法本章通过几个例题介绍VHDL 语言的基本结构和语法规则5.1 VHDL 基本结构一个相对完整的VHDL 设计由以下四部分组成：（1） 库LIBRARY 、程序包PACKAGE ：库用于存储预先完成的程序包和数据集合体；程序包用于声明在设计中将要用到的常数、数据类型、元件及子程序等。
（2） 实体ENTITY ：定义设计的输入输出端口。
（3） 结构体ARCHITECTURE ：定义实体的实现，即电路的具体描述。
可有多个结构体，但只有一个起作用。
（4） 配置CONFIGURA TION ：为实体选定某个特定的结构体。
以上四个部分不是每个VHDL 程序必须的，但每个VHDL 程序至少含有1个实体和1个结构体。
1个实体可有多个结构体，通过配置选择1个结构体对实体起作用，其他结构体不起作用。
当只有1个结构体时不要实体。
【例5-1】2选1多路数据选择器，其功能见图5-1。
功能描述为当S=0时A 送Y ， S=1时B 送Y 。
其对应的VHDL 描述为：ENTITY mux21a IS --给出实体名mux21a 和管脚定义 PORT (a,b : IN BIT ;s : INBIT ; y : OUT BIT );END mux21a ；ARCHITECTURE one OF mux21a IS --结构体，描述电路器件的内部逻辑 BEGIN功能或电路结构。
y <=a WHEN s=’0’ ELSE b;END one ;综合后结构体的门电路见图5-3。
5.1.1 实体ENTITY ：定义本设计的输入输出端口/信号。
图5-1 例5-1功能示意图图5-3 例5-1综合后的门电路A S约定：[]表示为可选项；--开始的语句为注释，不参与编译和综合；黑体单词为保留字。
1、实体框架：ENTITY实体名IS--此处无分号[GENERIC（常数名：数据类型[：设定值]）；]PORT - -端口定义（端口1：端口模式端口类型；…端口n：端口模式端口类型- -最后一个无分号）；END[ENTITY] 实体名；注：END中带ENTITY、ARCHITECTURE为IEEESTDl076_1993版的语法要求，不带为IEEESTD1076 1987的语法要求。
EDA
1.说明VHDL语言的基本结构。
VHDL语言程序的一般结构包括：实体(ENTITY)、构造体(ARCHITECTURE)、配置(CONFIGURATION)、包集合(PACKAGE)、库(LIBRARY)。
2.说明端口模式的INOUT与BUFFER的异同。
INOUT为输入输出双向端口，即从端口内部看，可以对端口进行赋值，即输出数据。
也可以从此端口读入数据，即输入。
BUFFER为缓冲端口，功能与INOUT类似，区别在于当需要读入数据时，只允许内部回读内部产生的输出信号，即反馈。
举个例子，设计一个计数器的时候可以将输出的计数信号定义为BUFFER，这样回读输出信号可以做下一计数值的初始值。
3.VHDL语言有几种数据对象，请说明他们的功能以及使用方法，举例说明数据对象与数据类型之间的关系。
1.常量(CONSTANT)：常量为全局量，是指在设计描述过程中保持某一规定类型特定值不变的量。
常量名：数据类型：=表达式；2.变量(VARIABLE)：变量为局部量，常用来存储中间数据，以便实现程序的算法。
它只能在进程语句、函数语句和过程语句的结构中使用。
变量名1[ , 变量名2, …]: 数据类型[ := 初始值] ；3.信号(SIGNAL)：信号是描述硬件系统的基本数据对象，它是电子电路内部硬件连接的抽象，可以作为设计实体中并行语句模块间的信息交流通道。
信号名：数据类型[：=初值]；4.试用结构描述方式来描述图4-18（P137）所示的硬件电路。
Library IEEE；USE IEEE SID_LOGIC_1164.ALLENTITY fadder 3 ISPORT,(a,b,c:IN SID_LOGICY:OUT SID_LOGIC);END fadder 3;ARCHLIECTURE SUM OF fadder3 isSIGNAL to ,t1:SID_LOGICBEGINTo <=(NOT a,ANI) c T1<=(NOT a, ANI) b T2<=(NOT to ANI) t1 END SUM；1.用VHDL语言设计一个8位二进制全加器。
VHDL语言详解
VHDL语⾔详解第⼆章 VHDL程序基础2.1 VHDL程序结构2.2 VHDL的语⾔元素2.3 VHDL的基本描述语句2.4 VHDL结构体的三种描述⽅法2.1 VHDL程序结构2.1.1 VHDL程序基本结构2.1.2 VHDL结构体的基本⼦结构2.1 VHDL程序结构2.1.1 VHDL程序基本结构例1 ⼀个2输⼊的与门的逻辑描述LIBRARY ieee; --库说明语句USE ieee.std_logic_1164.ALL; --程序包说明语句ENTITY and2 ISPORT(a,b : IN STD_LOGIC;y : OUT STD_LOGIC);END and2;ARCHITECTURE and2x OF and2 ISBEGINy<=a AND b;END and2x;实体部分结构体部分VHDL设计⽂件的两个基本组成部分实体(Entity)结构体(Architecture)配置(Configuration)包集合(Package)库(Library)⼀个完整的VHDL程序库⽤于存放已编译的实体,结构体,包集合和配置2.1.1 VHDL程序基本结构实体部分描述设计系统的外部接⼝信号(即输⼊/输出信号)结构体⽤于描述系统的内部电路配置⽤于从库中选取所需元件安装到设计单元的实体中包集合存放各设计模块能共享的数据类型,常数,⼦程序等2.1.1.1 实体(ENTITY)实体的⼀般格式为:ENTITY 实体名 IS[类属参数说明];[端⼝说明];END;ENTITY,IS,END是VHDL的关键字(保留字).实体中的每⼀个I/O信号被称为端⼝,其功能对应于电路图符号的⼀个引脚.端⼝说明则是对⼀个实体的⼀组端⼝的定义,即对基本设计实体与外部接⼝的描述.端⼝是设计实体和外部环境动态通信的通道.ayand2b类属参数说明是可选部分.如果需要,可使⽤以"GENERIC"语句来指定该设计单元的类属参数(如延时,功耗等).实体名,端⼝名等均应为符合VHDL命名规则的标识符.端⼝说明的⼀般格式为:PORT(端⼝名{,端⼝名}:端⼝模式数据类型;端⼝名{,端⼝名}:端⼝模式数据类型);端⼝模式⽤来说明数据传输通过该端⼝的⽅向.端⼝模式有以下⼏类:IN(输⼊):仅允许数据流进⼊端⼝.主要⽤于时钟输⼊,控制输⼊,单向数据输⼊.OUT(输出):仅允许数据流由实体内部流出端⼝.该模式通常⽤于终端计数⼀类的输出,不能⽤于反馈.BUFFER(缓冲):该模式允许数据流出该实体和作为内部反馈时⽤,但不允许作为双向端⼝使⽤.INOUT(双向):可以允许数据流⼊或流出该实体.该模式也允许⽤于内部反馈.如果端⼝模式没有指定,则该端⼝处于缺省模式为:IN .数据类型原则上可以是任何标准的数据类型和⽤户⾃定义类型.PORT (a,b : IN STD_LOGIC;y : OUT STD_LOGIC);inininoutoutbufferinoutmodemode模式及其信号源类属参数说明的格式为:GENERIC(端⼝名{,端⼝名}:[IN] ⼦类型 [:=初始值]{;端⼝名{,端⼝名}: [IN] ⼦类型 [:=初始值]} );例2:加⼊类属说明的2输⼊的与门的逻辑描述ENTITY and2 ISGENERIC (rise,fall:time);PORT(a,b: IN STD_LOGIC;y : OUT STD_LOGIC);END and2;ARCHITECTURE and2x OF and2 ISSIGNAL u: BIT;BEGINu<=a AND b;y<=u after(rise) when u='1' else u after(fall) ;END and2x;例3: 四位加法器实体说明程序ENTITY add4 ISPORT(a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);Ci: IN STD_LOGIC;Sum: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);Co: OUT STD_LOGIC);END add4;由实体说明画出四位加法器add4的电路图如下所⽰.add4a[3..0]b[3..0]Sum[3..0]CiCo2.1.1.2 结构体(ARCHITECTURE )结构体的⼀般格式如下:ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS[结构体说明部分];BEGIN[并发处理语句];END 结构体名;结构体说明是指对结构体需要使⽤的信号,常数,数据类型和函数进⾏定义和说明.并发处理语句位于BEGIN和END之间,这些语句具体地描述了构造体的⾏为.并发处理语句是功能描述的核⼼部分,也是变化最丰富的部分.并发处理语句可以使⽤赋值语句,进程语句,元件例化语句,块语句以及⼦程序等.需要注意的是,这些语句都是并发(同时)执⾏的,与排列顺序⽆关.2.1.1.3 配置(CONFIGURATION)配置的基本格式为:CONFIGURATION 配置名 OF 实体名 IS[配置说明];END 配置名;配置语句描述了层与层之间的连接关系,以及实体与构造体之间的连接关系.设计者可以利⽤配置语句选择不同的构造体,使其与要设计的实体相对应;在仿真某⼀个实体时,可以利⽤配置选择不同的构造体进⾏性能对⽐实验,以得到性能最佳的构造体. CONFIGURATION 配置名 OF 实体名 ISFOR 选配结构体名END FOR;END 配置名;配置语句根据不同情况,其说明语句有简有繁.最简单的缺省配置格式为:例4:加⼊了配置的4位等值⽐较器设计⽂件LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY comp4 ISPORT(a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);y: OUT STD_LOGIC);END comp4;--结构体 1:ARCHITECTURE behavior OF comp4 ISBEGINComp: PROCESS(a, b)BEGINIF a=b THENy<='1';ELSEy RETURN '0';WHEN 'Z'=> RETURN 'Z';END CASE;END invert;END BODY;⼀个包集合说明⾄多可以带⼀个包体,包体和包头使⽤相同的名字.包体的内容是基本说明和⼦程序体说明.但要注意,若包集合中含有⼦程序说明时,必须将⼦程序放在对应的包体中.包体中的⼦程序及其相应的说明是专⽤的,不能被其它VHDL单元所引⽤;⽽包集合中的说明是公⽤的,它可以独⽴地编译并插⼊设计库中.包集合体是次级设计单元,只有在其对应的主设计单元编译并插⼊设计库之后,才可独⽴地编译并插⼊到设计库中.程序包举例(见vhdl程序example )2.1.1.5 库(LIBRARY)库是⽤来放置可编译的设计单元的地⽅,通过其⽬录可查询和调⽤. VHDL中的库⼤致可归纳为5种:IEEE库,STD库,ASIC⽮量库,WORK库和⽤户定义库.IEEE库.常⽤的资源库.IEEE库包含经过IEEE正式认可的STD_LOGIC_1164包集合和某些公司提供的⼀些包集合,如STD_LOGIC_ARITH(算术运算库),STD_LOGIC_UNSIGNED等.STD库.VHDL的标准库.库中存放有称为"standard"的标准包集合,其中定义了多种常⽤的数据类型,均不加说明可直接引⽤.STD 库中还包含有称为"textio"的包集合.在使⽤"textio"包集合中的数据时,应先说明库和包集合名,然后才可使⽤该包集合中的数据. ASIC⽮量库.在VHDL语⾔中,为了进⾏门级仿真,各公司可提供⾯向ASIC的逻辑门库.在该库中存放着与逻辑门⼀⼀对应的实体.为了使⽤⾯向ASIC的库,对库进⾏说明是必要的.WORK库.WORK库是现⾏作业库.设计者所描述的VHDL语句不需要任何说明,将都存放在WORK库中.WORK库对所有设计都是隐含可见的,因此在使⽤该库时⽆需进⾏任何说明.⽤户定义库.⽤户定义库简称⽤户库,是由⽤户⾃⼰创建并定义的库.设计者可以把⾃⼰经常使⽤的⾮标准(⼀般是⾃⼰开发的)包集合和实体等汇集成在⼀起定义成⼀个库,作为对VHDL标准库的补充.⽤户定义库在使⽤时同样要⾸先进⾏说明.上述5类库中,除了STD库和WORK库之外的其它库均为资源库.资源库是存放常规元件和标准模块的库,使⽤时需预先说明.库说明语句的语法形式为:LIBRARY 库名; --说明使⽤什么库USE 包集合名; --说明使⽤库中哪⼀个包集合及包集合中的项⽬(如过程名,函数名等)包集合名最多为三个层次,即 :library-name. packge-name. item-nameLIBRARY 语句和USE语句的作⽤范围:仅限于紧跟起后的实体和结构体.2.1.2 VHDL结构体的基本⼦结构在规模较⼤的电路设计中,整个电路将被分成若⼲个相对独⽴的模块来描述.这样,⼀个结构体可以⽤⼏个⼦结构,即相对独⽴的⼏个模块来构成.VHDL语⾔有以下3种形式的⼦结构描述语句:BLOCK 语句结构PROCESS 语句结构SUBPROGRAMS 结构2.1.2.1 块( BLOCK )BLOCK语句的语法格式为:块标号:BLOCK [(块保护条件)][说明语句];BEGIN[并发处理语句];END BLOCK 标号名;保护条件是可选项,它是⼀个布尔表达式.如果有保护条件,则该条件应⽤圆括号括起来,放在BLOCK之后.保护条件的作⽤是:只有当其为真时,该块中的语句才被启动执⾏;否则,该块中的语句不被执⾏.BLOCK语句中所描述的各个语句是可以并⾏执⾏的,它和书写顺序⽆关.⼀个⼤规模的电原理图通常可以分割成多张⼦原理图,以便于设计和存档.同样,在VHDL程序设计中,构造体对应整个电原理图,⽽构造体可由多个BLOCK块组成,每⼀个BLOCK块则对应⼀张⼦原理图.电原理图的分割关系和VHDL程序中⽤BLOCK块分割构造体的关系是⼀⼀对应的.例7 ⽤BLOCK语句描述2选1电路的程序.ENTITY mux2_1 ISPORT(d0, d1, sel : IN STD_LOGIC;q :OUT STD_LOGIC);END mux2_1;ARCHITECTURE amux OF mux2_1 ISSIGNAL tmp1,tmp2,tmp3 : STD_LOGIC;BEGINcale: BLOCKBEGINtmp1<=d0 AND sel;tmp2<=d1 AND (not sel);tmp3<=tmp1 OR tmp2;q<=tmp3;END BLOCK cale;END amux;上述结构体中只有⼀个 BLOCK块,若电路复杂时可由⼏个BLOCK块组成.2选1 数据选择器d1d0qselu2u1u3tmp1tmp2tmp3例8 ⽤带保护条件的BLOCK语句描述⼀个锁存器的结构.ENTITY latch ISPORT(d, clk : IN STD_LOGIC;q, qn : OUT STD_LOGIC);END latch;ARCHITECTURE latch_a OF latch ISBEGINg1:BLOCK(clk='1')BEGINq<=guarded d after 5ns;qn<=guarded not(d) after 7ns;END BLOCK g1;END latch_a;qnqQD Cdclk在BLOCK块中的两个信号传送语句都写有前卫关键词guarded,表明只有clk='1'为真时,这两个语句才能执⾏.(注意 :这⾥的综合⼯具不⽀持 guarded block 语句和 after 短语.)2.1.2.2 进程( PROCESS )PROCESS语句是⼀种并发处理语句,在⼀个构造体中多个PROCESS语句可以同时并发运⾏.因此,PROCESS语句是VHDL中描述硬件系统并发⾏为的最常⽤,最基本的语句.进程语句的⼀般格式为;[进程名:] PROCESS (敏感信号表)进程说明语句BEGIN顺序描述语句;END PROCESS [进程名];例9 利⽤PROCESS语句设计与⾮门电路.nandx: PROCESS (a, b)BEGINy<=a NAND b AFTER 10ns;END PROCESS nandx;敏感信号表所标明的信号是⽤来启动进程的.敏感信号表中的信号⽆论哪⼀个发⽣变化(如由'0'变'1'或由'1'变'0' )都将启动该PROCESS语句.⼀旦启动后, PROCESS中的语句将从上⾄下逐句执⾏⼀遍.当最后⼀个执⾏完毕以后,即返回到开始的PROCESS语句,等待下⼀次启动.因此,只要PROCESS中指定的信号变化⼀次,该PROCESS语句就会执⾏⼀遍. PROCESS内部各语句之间是顺序关系 .在系统仿真时, PROCESS语句是按书写顺序⼀条⼀条向下执⾏的.⽽不象BLOCK中的语句可以并⾏执⾏.若构造体中有多个进程存在,各进程之间的关系是并⾏关系 ;进程之间的通信则⼀边通过接⼝由信号传递,⼀边并⾏地同步执⾏.2.1.2.3 ⼦程序( SUBPROGRAM )⼦程序的特点:⼦程序可以在结构体或程序包的任何位置被调⽤,⽽且可以反复调⽤.⼦程序是⼀个⾮重⼊的程序,即⼦程序返回后才能再被调⽤.在调⽤时⼦程序⾸先要进⾏初始化,执⾏结束后⼦程序终⽌;再调⽤时要再进⾏初始化.因此,⼦程序内部的值不能保持.VHDL的⼦程序具有可重载性,即允许有许多重名的⼦程序,但这些⼦程序的参数类型和返回数值类型是不同的.VHDL的⼦程序有两种类型:过程(PROCEDURE)函数(FUNCTION)过程(PROCEDURE)过程语句的结构:PROCEDURE 过程名(参数1;参数2; (I)[定义语句];BEGIN[顺序处理语句];END 过程名;过程语句的调⽤格式:过程名(实际参数表);例10 设计⼀个从两个整数中求取最⼤值的过程.PROCEDURE max(a, b: IN INTEGER;y: OUT INTEGER) ISBEGINIF (ay<=b;ELSEyb) THENtmp:=a;ELSEtmp:=b;END IF;RETURN tmp;END max;函数的参数均为输⼊参数.函数调⽤返回⼀个指定数据类型的值.例11 在结构体中调⽤求最⼤值的函数.LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;USE ieee.newlib.ALL;ENTITY dpeak ISPORT(clk, set : IN STD_LOGIC;date : IN STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0);dout : OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0));END dpeak;ARCHITECTURE rtl OF dpeak ISSIGNAL peak : STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0);BEGINdout<=peak;PROCESS (clk)BEGINIF (clk'event and clk='1') THENIF (set='1') THENpeak<=date;ELSEpeak<= max(date,peak);END IF;END IF;END PROCESS;END rtl;2.2 VHDL的语⾔元素2.2.1 标识符2.2.2 数据对象2.2.3 数据类型2.2.4 运算符与操作符2.2.5 属性标识符规则:标识符规则是在书写VHDL程序时的⼀般⽂字规则.基本标识符由字母,数字以及下划线字符组成,且具有以下特征要求:●第⼀个字符必须是字母;●最后⼀个字符不能是下划线;●不允许连续两个下划线;●在标识符中⼤,⼩写字母是等效的.● VHDL中的注释⽂字⼀律为2个连续的连接线"--",可以出现在任⼀语句后⾯,也可以出现在独⽴⾏;● VHDL的保留字(关键字)不能⽤于标识符;2.2.1 标识符如下标识符是⾮法的:_ tx_clk8B10Blarge#numberlink__barselectrx_clk_例如:如下标识符是合法的:tx_clkThree_state_Enablesel7DHIT_1124--标识符必须起始于字母--只能是字母,数字,下划线--不能有连续两个下划线--关键字(保留字)不能⽤于标识符--最后字符不能是下划线2.2.2 数据对象在VHDL中,数据对象是可以赋予⼀个值的客体.常⽤的数据对象为常量,变量和信号,在使⽤前必须给予说明.●常量(CONSTANT)常量是指在设计描述中不会变化的值.在VHDL描述中,⼀般⽤常量名代替数值.常量说明语句的⼀般格式为:CONSTANT 常量名{,常量名}:数据类型 := 取值;例如: CONSTANT width : integer : = 8 ;常量所赋值和定义的数据类型应⼀致.常量⼀旦赋值就不能再改变.●变量(VARIABLE)变量是暂存数据的量.变量说明语句的格式是:VARIABLE 变量名{,变量名}:数据类型 [:=初始值];例如:VARIABLE count: INTEGER RANGE 0 TO 99 : =0变量是⼀个局部量 ,它只⽤于进程和⼦程序.变量必须在进程或⼦程序的说明区域中加以说明.变量赋值是直接的,⾮预设的 ,它在某⼀时刻仅包含⼀个值.变量的赋值⽴即⽣效,不存在延时⾏为.变量常⽤在实现某种运算的赋值语句中.赋值语句中的表达式必须与⽬标变量具有相同的数据类型.变量赋值语句格式为: ⽬标变量名 := 表达式;●信号(SIGNAL)信号是电⼦电路内部硬件实体相互连接的抽象表⽰.信号能够代表连线,也可内连元件,端⼝也是信号.信号说明语句的格式为:SIGNAL 信号名{,信号名} :数据类型 [:=初始值];例如: SIGNAL count: BIT_VECTOR(3 downto 0);信号包括I/O引脚信号以及IC内部缓冲信号,有硬件电路与之对应,故信号之间的传递有实际的附加延时.信号通常在构造体,包集合和实体中说明;信号不能在进程中说明(但可以在进程中使⽤).硬件中的信号总是同时⼯作的,即信号同时在各个模块中流动,这就是硬件电路的并发性 .HDL体现了实际电路中信号"同时"流动的这种基本特性.信号赋值语句格式为: ⽬标信号名 <= 表达式;赋值语句中的表达式必须与⽬标信号具有相同的数据类型.信号和变量的主要区别:1. 变量是⼀个局部量,只能⽤于进程或⼦程序中;信号是⼀个全局量,它可以⽤来进⾏进程之间的通信.2. 变量赋值⽴即⽣效,不存在延时⾏为;信号赋值具有⾮⽴即性,信号之间的传递具有延时性.4. 信号赋值可以出现在进程中,也可以直接出现在结构体中,但它们的运⾏含义不同:前者属顺序信号赋值,此时的赋值操作要视进程是否已被启动;后者属并⾏信号赋值,其赋值操作是各⾃独⽴并⾏发⽣的.3. 变量⽤作进程中暂存数据的单元;信号⽤作电路中的信号连线.5. 在进程中变量和信号的赋值形式与操作过程不同:在变量的赋值语句中,该语句⼀旦被执⾏,其值⽴即被赋予变量.在执⾏下⼀条语句时,该变量的值即为上⼀句新赋的值.在信号的赋值语句中,该语句即使被执⾏,其值不会使信号⽴即发⽣代⼊,在下⼀条语句执⾏时,仍使⽤原来的信号值.直到进程结束之后,所有信号赋值的实际代⼊才顺序进⾏处理.因此,实际代⼊过程和赋值语句的执⾏是分开进⾏的.如例12所⽰.例12 信号和变量值代⼊的区别举例PROCESS (a,b,c,d)BEGINd<=a;x<=b+d;d<=c;y<=b+d;END PROCESS;结果: x<=b+c;y<=b+c;PROCESS (a,b,c)VARIABLE d:std_logic_vector(3 downto 0);BEGINd:=a;x<=b+d;d:=c;y<=b+d;END PROCESS;结果: x<=b+a;y<=b+c;当进程运⾏时,信号赋值将⾃上⽽下顺序执⾏,但第⼀项赋值操作并不会发⽣,这是因为信号赋值是在进程结束时才起作⽤.因为在进程结束更新时,d的最后⼀个赋值为c ,因此执⾏结果为该式.2.2.3 数据类型VHDL是⼀种类型型很强的语⾔.对象的数据类型定义了该对象可以具有的值和对该对象可以进⾏的运算的限制.在VHDL中,这种限制是被强制执⾏的.VHDL提供了多种标准的数据类型.在VHDL描述中,每个信号,常量,变量都要指定它的数据类型,以确定它能保持那⼀类数据. VHDL对数据类型的定义相当严格,在进⾏赋值或变换过程中都要进⾏类型检查.VHDL不允许不同类型的数值相互赋值或使⽤类型不允许的运算符进⾏运算.这种特性可以帮助设计者在设计前期发现错误.标准数据类型⽤户⾃定义数据类型数据类型的转换1. 标准数据类型VHDL提供的10种标准数据类型.(2)Real(实数).取值范围为 -1.0E+38 ~ +1.0E+38.和整数⼀样,实数能被约束.由于实数运算需要⼤量的资源,因此综合⼯具常常并不⽀持实数类型.(3)Bit(位). 只有两种取值,即 0 和 1 ,可⽤于描述信号的取值.(4)Bit_Vector(位⽮量). 是⽤双引号括起来的⼀组数据,每位只有两种取值:0 和 1.在其前⾯可加以数制标记,如X(16进制),B(2进制,默认),O(8进制)等.位⽮量常⽤于表⽰总线的状态.(1)Integer(整数). 取值范围为 -(231-1)～(231-1).⼀个整数类型和要被综合进逻辑的信号或变量在其范围上应有约束.例如: variable a: integer range –255 to 255;整数可通过语句内带符号⽮量来表达给综合⼯具.(5)Boolean(布尔量). ⼜称逻辑量.有"真","假"两种状态,分别⽤TRUE和FALSE标记.⽤于关系运算和逻辑运算.(6)Character(字符).是⽤单引号括起来的⼀个字母,数字,空格或⼀些特殊字符(如$,@,%等).字符区分⼤,⼩写字母.(7)String(字符串).是⽤双引号括起来的⼀个字符序列.字符串区分⼤,⼩写字母.常⽤于程序的提⽰和结果说明等.(8)Time(时间).时间的取值范围从 -(231-1)～(231-1).时间由整数值,⼀个以上空格以及时间单位组成.常⽤的时间单位有:fs,ns,µs,ms,s,min,hr等.时间常⽤于指定时间延时和标记仿真时刻.上述10种数据类型是VHDL种标准的数据类型,在编程时可以直接引⽤.如果⽤户需使⽤其它的数据类型,则必须进⾏⾃定义.(9)Natural(⾃然数)和Positive(正整数).是整数类型的⼦类型.⾃然数取值范围为0 ～(231-1);正整数是⼤于 0 的整数.(10)Severity Level(错误等级).错误等级分为:NOTE(注意),WARNING(警告),ERROR(出错),FAILURE(失败)四级,⽤于提⽰系统的错误等级.时间单位fs,ps,ns,µs,ms,sec,min,hr时间整数的⼦集:⾃然数取值范围为0 ～(231-1);正整数是⼤于0的整数⾃然数,正整数Note,warning,error,failure错误等级字符⽮量字符串ASCII字符字符逻辑"真" 或"假",⽤TRUE和FALSE标记布尔量位⽮量,⽤双引号括起来的⼀组数据位⽮量逻辑'0'或'1'位浮点数,取值范围: -1.0e+38 ～ 1.0e+38实数整数32位, 取值范围:-(231-1) ～ (231-1)整数含义数据类型标准数据类型IEEE库STD_LOGIC_1164程序包中定义的STD_LOGIC类型和STD_LOGIC_VECTOR类型.STD_LOGIC类型的数据可以具有九种取值,其含义如下:'U':初始值'X':不定态'0': 强制0'1': 强制1'Z': ⾼阻态'W':弱信号不定态'L':弱信号0'H':弱信号1'_':不可能情况(可忽略值)其中,"X"⽅便了系统仿真,"Z"⽅便了双向总线的描述.STD_LOGIC_VECTOR类型定义如下:TYPE STD_LOGIC_VECTOR IS ARRAY (NATURALRANGE ) OF STD_LOGIC;2. ⽤户⾃定义数据类型VHDL允许⽤户⾃⼰定义数据类型.常⽤的⽤户⾃定义数据类型主要有:(1)枚举(Enumerated)类型. 通过列举某类变量所有可能的取值来加以定义.对这些取值,⼀般使⽤⾃然语⾔中有相应含义的单词或字符序列来代表,以便于阅读和理解.⾃定义数据类型说明语句的⼀般格式是:TYPE 数据类型名 {,数据类型名} IS [数据类型定义];枚举类型定义的格式为:TYPE 数据类型名 IS (元素1,元素2,…);该数据类型括号中的值⾃左向右按升序排列,中间⽤逗号分隔.在VHDL中,对其中每⼀个元素都赋予⼀个位置编号,最左边的元素开始记为"0" ,向右依次递增"1" .这为"属性"提供了⼀个访问位置编号的机制.例如,在程序包STD_LOGIC_1164中对STD_LOGIC的定义为TYPE STD_LOGIC IS ( 'U' ,'X' ,'0' ,'1' ,'Z' ,'W' ,'L' ,'H' ,'_' );(2) 数组(ARRAY)类型. ⼜称为向量,是多个相同类型的数据集合.它可以是⼆维的和多维的.数组类型定义的格式为:TYPE 数据类型名 IS ARRAY (范围) OF 元素类型名;范围⼀项规定数组下标的类型和范围.默认的下标类型是整型,但也可以使⽤其它数据类型,这就需要在范围中标明下标的类型.例如:TYPE count1 IS ARRAY ( STD_LOGIC '_' DOWNTO 'U' )OF INTEGER;多维数组需要⽤两个以上的范围来描述,⽽且多维数组不能⽣成逻辑电路,因此只能⽤于⽣成仿真图形及硬件的抽象模型. (3) 纪录(RECORD)类型. 是多个不同类型的数据集合.纪录类型定义的格式为:TYPE 数据类型名 IS RECORD元素名: 数据类型名;元素名: 数据类型名;……END RECORD;纪录适⽤于描述总线,仿真等.对于记录类型的对象进⾏单元素赋值时,可在记录类型对象名后加点".",然后再加赋值元素的元素名.(4)时间(TIME)类型(物理类型).表⽰时间的数据类型,在仿真时是必不可少的.时间类型定义的⼀般格式为:TYPE 数据类型名 IS 范围;UNITS 基本单位;单位;END UNITS;例如:TYPE time IS range –1e18 TO 1e18;UNITS fs;ps=1000fs;ns=1000ps;µs=1000ns;ms=1000µs;set=1000ms;min=60set;hr=60min;END UNITS;这⾥的基本单位是"fs".时间是物理类型的数据,当然对容量,阻抗值也可以做定义.(5) ⼦类型(SYBTYPE).⼦类型是⼀个具有限制条件的类型,通常⽤来定义具有⼀定限制条件的基本类型的数据对象.⼦类型定义的⼀般格式为:SYBTYPE ⼦类型名 IS 数据类型名[约束范围];例如:如下 Byte 被定义作为⼀个⼦类型,⽽后数据对象被定义为从属于该⼦类型.SYBTYPE Byte IS Bit_Vector(7 downto 0);SIGNAL Byte1, Byte2:Byte;SIGNAL Data1, Data2:Byte;SIGNAL Addr1, Addr2:Byte;3. 数据类型的转换在VHDL程序中,不同类型的对象不能代⼊,因此要进⾏类型转换.类型转换的⽅法有:(1)类型标记法.⽤类型名称来实现关系密切的标量类型之间的转换.例如: VARIABLE x:INTEGER;VARIABLE y:REAL;使⽤类型标记(即类型名)实现类型转换时,可采⽤赋值语句:x :=INTEGER(y); y :=REAL(x).(2)类型函数法.VHDL程序包中提供了多种转换函数,使得某些类型的数据之间可以相互转换,以实现正确的赋值操作.常⽤的类型转换函数有:★CONV_INTEGER ( ):将STD_LOGIC_VECTOR类型转换成INTEGER类型.★CONV_STD_LOGIC_VECTOR( ):将INTEGER类型,UNSIGNED类型或 SIGNED类型转换成STD_LOGIC_VECTOR类型.★TO_BIT ( ): 将STD_LOGIC类型转换成BIT类型.★TO_BIT_VECTOR( ):将STD_LOGIC_VECTOR类型转换BIT_VECTOR 类型.★TO_STD_LOGIC( ): 将BIT类型转换成STD_LOGIC类型.★TO_STD_LOGIC_VECTOR( ): 将BIT_VECTOR类型转换成STD_LOGIC_VECTOR类型.注意 :引⽤时必须⾸先打开库和相应的程序包.该函数由STD_LOGIC_UNSIGNED程序包定义该函数由STD_LOGIC_ARITH程序包定义以下函数由STD_LOGIC_1164程序包定义2.2.4 运算符与操作符VHDL中共有四类运算符:(1)算术运算符:包括⼀元算术运算符和⼆元算术运算符.⼀元算术运算符包括:+(正号),—(负号),ABS(求绝对值)⼆元算术运算符包括:+ ,— ,* ,/ ,MOD(求模),REM(求余),**(指数运算)(2)关系运算符:它包括:= ,/= ,=(3)逻辑运算符:包括⼀元逻辑运算符和⼆元逻辑运算符.⼀元逻辑运算符包括:NOT⼆元逻辑运算符包括:AND,OR,NAND,NOR,XOR(4)并置运算符:&(连接),⽤于将多个位连接成为位⽮量.例如:DBUS<=D0&D1&D2&D3,即DBUS= ,,<,/= ,= ;XOR,NOR,NAND,OR,AND .需要注意的是:在编写VHDL程序时,必须保证操作数的数据类型与运算符所要求的数据类型⼀致.VHDL中的操作符:● "" 符号: 在WHEN语句中出现,其含义是"THEN(则)".2.2.5 属性(Attributes)VHDL没有⼀般程序设计语⾔中那些运算类标准函数,取⽽代之的是多种能反映和影响硬件⾏为的属性.VHDL的属性可分为数值类,函数类,信号类,类型类和范围类等属性.属性的⼀般格式为:Object ′Attributes为获取硬件设计中的⼀些有关信息(各类项⽬特性)⽽定义的内部函数某⼀项⽬的属性或特征通常可以⽤⼀个值或⼀个表达式来表⽰;它可以通过VHDL的属性描述语句加以访问.1.数值类属性数值类属性⽤于返回数组,块,或⼀般数据的有关值,如边界,数组长度等.●对⼀般数据属性,返回函数的边界值.其格式为Object ′LEFT;Object ′RIGHT;Object ′HIGH;Object ′LOW;●对于数组的数值属性,返回数组的长度值.其格式为Object ′LENGTH;●对于块结构体的数值属性,返回块的信息.其格式为Object ′BEHAVIOR;Object ′STRUCTURE;例如:TYPE num IS ARRAY RANGE 7 DOWNTO 0;VARIABLE i1,i2,i3,i4,M: INTEGER;BEGINi1:=num ′LEFT; --i1取得num的左边界值 7i2:=num ′RIGHT; --i2取得num的右边界值 0i3:=num ′HIGH; --i3取得num的上限值 7i4:=num ′LOW; --i4取得num的下限值 0M:= num ′LENGTH;2.函数类属性函数类属性是以函数形式为设计⼈员提供数据类型,数组,信号的相关信息的.●数据类型的属性函数.利⽤数组属性可以获得数组的区间,该属性的格式为Object ′SUCC(X); --获取X的下⼀个值Object ′PRED(X); --获取X的前⼀个值Object ′LEFTOF(X); --获取X的左边值Object ′RIGHTOF(X); --获取X的右边值其中, "Object"为数据类型名,X为其中的⼀个元素.例如:TYPE time IS (year,month,day,hour,min,sec);则 time ′SUCC(hour); --获取元素hour的下⼀个值mintime ′LEFTOF(day); --获取元素day的左边值month●数组的属性函数.其格式为Object ′LEFT(n); --获取索引号为n的区间左端边界值Object ′RIGHT(n); --获取索引号为n的区间右端边界值Object ′HIGH(n); --获取索引号为n的区间⾼端边界值Object ′LOW(n); --获取索引号为n的区间低端边界值其中, "Object"为数组名;n为多维数组中所定义的多维区间的序号.默认值n=1,表⽰对⼀维空间进⾏操作.●信号的属性函数.利⽤信号属性可得到信号的⾏为和功能信息,其格式为Object ′EVENT; --反映信号的值是否变化,是,则返回为"真"Object ′ACTIVE; --反映信号是否活跃,是,则返回为"真"Object ′LAST_EVENT; --反映从最近⼀次事件到现在经过的时间,返回⼀个时间值Object ′LAST_VALUE; --反映信号变化前的取值,并将该历史值返回Object ′LAST_ACTIVE; --反映从最近⼀次活跃到现在经过的时间,返回⼀个时间值需要注意的是 :信号的事件(Event)和活跃(Active)是两个不同的概念,必须严格区分.信号的活跃定义为信号值的任何变化.信号值由1变为0是⼀个活跃,⽽从1变为1也是⼀个活跃,唯⼀的准则是发⽣了事情,这种情况被称为⼀个事项处理(Transaction).然⽽,信号的事件则要求信号值发⽣变化.信号值从1变为0是⼀个事件,但从1变为1虽是⼀个活跃却不是⼀个事件.所有的事件都是活跃,但并⾮所有的活跃都是事件.例如:利⽤函数信号属性检查信号的建⽴时间.LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY dff1 ISPORT(d,clk : IN STD_LOGIC;q : OUT STD_LOGIC);END dff1;ARCHITECTURE setup_time_check OF dff1 ISBEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk='1′) AND (clk ′EVENT) THENq5ns) --条件为真,向下执⾏REPORT "SETUP VIOLATION" --条件为假,报告错误信息: 建⽴时间不符合要求SEVERITY ERROR; --出错等级:ERROR。
第四章 VHDL语言程序基本结构
1. 对于VHDL的编译器和综合器来说，程序文字的大小 写不加区分。 2. 为了使程序结构清晰，易于阅读和调试，书写和输入 程序时，使用层次缩进格式，同一层次的语句对齐， 底层次的语句较高层次的语句缩进两个字符。 3. 程序中的注释使用双横线“--”。在VHDL程序的任 何一行中，双横线“--”后的文字都不参加编译和综 合。
4.1 设计实体
设计实体总由实体说明和结构体两部分构成
【例4-1】
EDA技术讲义
ENTITY mux21a IS PORT( a, b : IN BIT ; s : IN BIT; y : OUT BIT ) ; END ENTITY mux21a ;
实体说明
ARCHITECTURE one OF mux21a IS BEGIN y <= a WHEN s = '0' ELSE b ; END ARCHITECTURE one ;
复杂组合逻辑电路，如：
• 译码器、编码器、加减法器、多路选择器、地址译码器…...
状态机 等等……..
EDA技术讲义
VHDL的功能和标准
VHDL 描述
输入端口 输出端口 电路的行为和功能
VHDL有过两个标准：
IEEE Std 1076-1987 (called VHDL 1987) IEEE Std 1076-1993 (called VHDL 1993)
2选1多路选择器的VHDL描述
图4-1 mux21a实体
结构体
图4-2 mux21a结构体
4.1 设计实体
4.1.1 实体说明
EDA技术讲义
实体说明主要描述的是一个设计的外貌，即对外 的输入输出接口以及一些用于结构体的参数的定义。
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PORT 端口说明
实 结构体 (ARCHITECTURE)
体
配置 (CONFIGURATION)
结构体说明 结构体功能描述
图2.4 VHDL程序设计基本结构
（1）库、程序包使用说明：用于打开 (调用)本设计实体 将要用到的库、程序包；程序包存放各个设计模块共享的 数据类型、常数和子程序等；库是专门存放预编译程序包 的地方。
在电路中，如果实体代表一个器件符号，则结构体描述 了这个符号的内部行为。
1. 结构体语句格式
ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS [说明语句] --内部信号，常数，数据类型，函数等的定义 BEGIN [功能描述语句]
END [ARCHITECTURE] [ 结构体名]；
【例2.5】结构体描述
函数的说明)，其中STD_LOGIC 取值为“0”，“1”，“X”和 “Z”。因为使用了库，所以在实体说明前要增加库说明语句 。
2.2.2 结构体
结构体(ARCHITECTURE)是设计实体的一个重要部分， 结构体将具体实现一个实体。
结构体不能单独存在，它必须有一个界面说明，即一个 实体。
对于具有多个结构体的实体，必须用 CONFIGURATION 配置语句指明用于综合的结构体和用于仿真的结构体，即 在综合后的可映射于硬件电路的设计实体中，一个实体只 对应一个结构体。
【例2.4】端口模式及IEEE库数据类型定义 LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD_LOGIC.1164.ALL； ENTITY mm IS PORT(n0，n1，select：IN STD_LOGIC； Q：OUT STD_LOGIC； Bus：OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))； END ENTITY mm； 例中端口数据类型取自IEEE标准库(该库中有数据类型和
ENTITY mux IS PORT(a0，a1：IN BIT； Sel：IN BIT； Sh：OUT BIT)；
END mux； ARCHITECTURE dataflow OF mux IS
BEGIN sh<=(a0 AND sel)OR(NOT sel AND a1)；
END dataflow；
（2）实体：用于描述所设计的系统的外部接口信号，是 可视部分；
（3）结构体：用于描述系统内部的结构和行为，建立输 入和输出之间的关系，是不可视部分。
（4）配置说明语句：主要用于以层次化的方式对特定的 设计实体进行元件例化，或是为实体选定某个特定的结构体。
2.2.1 实体
实体(ENTITY) 是一个设计实体的表层设计单元，其功能 是对这个设计实体与外部电路进行接口描述。它规定了设计 单元的输入输出接口信号或引脚，是设计实体经封装后对外 的一个通信界面。
类属说明的一般书写格式如下： GENERIC([常数名；数据类型[：设定值] {；常数名：数据类型[：设定值 ]})；
【例2.2】2输入与门的实体描述 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY AND2 IS GENERIC(RISEW：TIME:=1 ns； FALLW：TIME:=1 ns)； PORT( A1：IN STD_LOGIC； A0：IN STD_LOGIC； Z0：OUT STD_LOGIC)； END ENTITY AND2； 类属说明中定义参数RISEW为上沿宽度，FALLW 为下沿宽 度，它们分别为 1 ns，这两个参数用于仿真模块的设计。
中间在方括号内的语句描述，在特定的情况下并非是必须 的。例如构建一个VHDL 仿真测试基准等情况中可以省去方括 号中的语句。
2．类属(GENERIC) 说明语句 类属(GENERIC) 参量是一种端口界面常数，常以一种说明
的形式放在实体或块结构体前的说明部分。类属为所说明的环 境提供了一种静态信息通道，类属的值可以由设计实体外部提 供。
1．实体语句结构 实体说明单元的常用语句结构如下： ENTITY 实体名 IS
[GENERIC(类属表)；] [PORT(端口表)；] END [ENTITY]实体名；
实体说明单元必须以语句“ENTITY 实体名IS”开始，以语 句“END ENTITY 实体名；”结束。
实体名是设计者自己给设计实体的命名，可作为其他设计 实体对该设计实体进行调用时用。
IEEE 1076 标准包中定义了4种常用的端口模式，各端口模 式的功能及符号分别见表2.1和图2.5。
表2.1 端口模式说明
端口模式
IN OUT BUFFER INOUT
端口模式说明(以设计实体为主体)
输入，只读模式，将变量或信号信息通过该端口读 入输出，单向赋值模式，将信号通过该端口输出 具有读功能的输出模式，可以读或写，只能有一个 驱双向动，源可以通过该端口读入或写出信息
3．PORT端口说明 实体端口说明的一般书写格式如下：
PORT(端口名：端口模式 数据类型；
{端口名：端口模式 数据类型})； 端口名是设计者为实体的每一个对外通道 (系统引脚)所 取的名字，一般用几个英文字母组成； 端口模式(端口方向)是指这些通道上的数据流动方式， 即定义引脚是输入还是输出； 数据类型是指端口上流动的数据的表达格式。
IN
OUT
BUFFER
INOUT
图2.5 端口模式符号图
【例2.3】端口模式及数据类型定义
PORT(n0，n1，select：IN BIT； q：OUT BIT； bus：OUT BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0))；
说明：n0， n1，select 是输入引脚，属于BIT型； q是输出引脚，BIT型； bus 是一组8位二进制总线，属于BIT_VECTOR。
2.2 VHDL 程序基本结构
一个相对完整的VHDL 程序通常包含实体(Entity) 、结构体 (Architecture) 、配置(Configuration) 、程序包(Package) 和库 (ENERIC 类属说明
设 实体 (ENTITY)
计