VHDL语言入门教程

3VHDL语言VHDL:VHSICHardwareDescriptionLanguage.3.1VHDL语言基础3.2VHDL基本结构3.3VHDL语句3.4状态机在VHDL中的实现3.5常用电路VHDL程序3.6VHDL仿真3.7VHDL综合HDL----HardwareDescriptionLanguage一种用于描述数字电路的功能或行为的语言。目的是提为电路设计效率，缩短设计周期，减小设计成本，可在芯片制造前进行有效的仿真和错误检测。优点：HDL设计的电路能获得非常抽象级的描述。如基于RTL(RegisterTransferLevel)描述的IC，可用于不同的工艺。HDL设计的电路，在设计的前期，就可以完成电路的功能级的验证。HDL设计的电路类似于计算机编程。常用的HDL语言：VHDL、VerilogHDLVHDL是美国国防部在20世纪80年代初为实现其高速集成电路硬件VHSIC计划提出的描述语言;IEEE从1986年开始致力于VHDL标准化工作，融合了其它ASIC芯片制造商开发的硬件描述语言的优点，于93年形成了标准版本（IEEE.std_1164）。1995年，我国国家技术监督局推荐VHDL做为电子设计自动化硬件描述语言的国家标准。VHDL概述：VHDLVHSICHardwarterDescriptionLanguageVeryHighspeedintegratedcircuitVHSIC覆盖面广，系统硬件描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言;VHDL语言具有良好的可读性，既可以被计算机接受，也容易被人们所理解;VHDL语言可以与工艺无关编程;VHDL语言已做为一种IEEE的工业标准，便于使用、交流和推广。VHDL语言的不足之处:VHDL优点:设计的最终实现取决于针对目标器件的编程器，工具的不同会导致综合质量不一样。3.1.1标识符（Identifiers）要求：首字符必须是字母末字符不能为下划线不允许出现两个连续的下划线不区分大小写VHDL定义的保留字（关键字），不能用作标识符标识符字符最长可以是32个字符。注释由两个连续的虚线（－－）引导。3.1VHDL语言基础标识符用来定义常数、变量、信号、端口、子程序或参数的名字，由字母（A~Z，a~z）、数字（0~9）和下划线（_）字符组成。例如：ABS，ACCESS，AFTER，ALL，AND，ARCHITECTURE，ARRAY，ATTRIBUTE，BEGIN，BODY，BUFFER，BUS，CASE，COMPONENT，CONSTANT，DISCONNECT，DOWNTO，ELSE，ELSIF，END，ENTITY，EXIT，FILE，FOR，FUNCTION，GENERIC，GROUP，IF，INPURE，IN，INOUT，IS，LABEL，LIBRARY，LINKAGE，LOOP，MAP，MOD，NAND，NEW，NEXT，NOR，NOT，NULL，OF，ON，OPEN，OR，OTHERS，OUT，PACKAGE，POUT，PROCEDURE，PROCESS，PURE，RANGE，RECODE，REM，REPORT，RETURN，ROL，ROR，SELECT，SHARED，SIGNAL，SLA，SLL，SRA，SUBTYPE，THEN，TRANSPORT，TO，TYPE，UNAFFECTED，UNITS，UNTIL，USE，VARIABLE，WAIT，WHEN，WHILE，WITH，XOR，XNOR关键字（保留字）：关键字（keyword）是VHDL中具有特别含义的单词，只能做为固定的用途，用户不能用其做为标识符。3.1.2数据对象（DateObjects）常量ConstantConstantbus_width：integer:=8;--定义总线宽度为常数8数据对象包括常量、变量、信号和文件四种类型。常量是对某一常量名赋予一个固定的值，而且只能赋值一次。通常赋值在程序开始前进行，该值的数据类型则在说明语句中指明。Constant常数名：数据类型：＝表达式ConstantVcc：real:=5.0;--定义Vcc的数据类型是实数，赋值为5.0V常量所赋的值应和定义的数据类型一致；常量在程序包、实体、构造体或进程的说明性区域内必须加以说明。定义在程序包内的常量可供所含的任何实体、构造体所引用，定义在实体说明内的常量只能在该实体内可见，定义在进程说明性区域中的常量只能在该进程内可见。Variable变量名：数据类型:＝初始值;Variablecount:integer0to255:=20；--定义count整数变量，变化范围0～255，初始值为20。变量Variable变量只能在进程语句、函数语句和过程语句结构中使用。变量的赋值是直接的，非预设的，分配给变量的值立即成为当前值，变量不能表达“连线”或存储元件，不能设置传输延迟量。变量赋值语句：目标变量名:=表达式;变量定义语句：x:=10.0;--实数变量赋值为10.0Y:=1.5+x;--运算表达式赋值，注意表达式必须与目标变量的数据类型相同A(3to6):=(“1101”);--位矢量赋值Signal信号名:数据类型:＝初始值Signalclock：bit:=‘０’;--定义时钟信号类型，初始值为0信号Signal信号表示逻辑门的输入或输出，类似于连接线，也可以表达存储元件的状态。信号通常在构造体、程序包和实体中说明。信号定义语句：Signalcount：BIT_VECTOR(3DOWNTO0);--定义count为4位位矢量信号赋值语句：目标信号名=表达式;x=9;Z=xafter5ns;--在5ns后将x的值赋予z3.1.2数据类型布尔：(Boolean)位:(Bit)TYPEBITIS(‘0’,’1’);--取值为0和1，用于逻辑运算位矢量:(Bit_Vector)TYPEBIT_VECTORISARRAY(Naturalrange)OFBIT;--基于Bit类型的数组，用于逻辑运算SIGNALa：Bit_Vector(0TO7)；SIGNALa：Bit_Vector(7DOWNTO0)VHDL的预定义数据类型在VHDL标准程序包STANDARD中定义好，实际使用过程中，已自动包含进VHDL源文件中，不需要通过USE语句显式调用。TYPEBOOLEANIS(FALSE,TRUE);--取值为FALSE和TRUE，不是数值，不能运算，一般用于关系运算符整数：(Integer)取值范围-(231-1)～(231-1)，可用32位有符号的二进制数表示variablea：integerrange-63to63在实际应用中，VHDL仿真器将Integer做为有符号数处理，而VHDL综合器将Integer做为无符号数处理；要求用RANGE子句为所定义的数限定范围，以便根据范围来决定表示此信号或变量的二进制数的位数。字符：(Character)TYPECHARACTERIS(NUL,SOH,STX,…,‘’,‘!’,…);--通常用‘’引起来，区分大小写；字符串：(String)VARIABLEstring_var:STRING(1TO7);string_var:=“ABCD”;--通常用“”引起来，区分大小写；实数：(Real)取值范围-1.0E38～+1.0E38，仅用于仿真不可综合1.0--十进制浮点数8＃43.6＃e+4--八进制浮点数43.6E-4--十进制浮点数时间：(Time)物理量数据，完整的包括整数和单位两个部分，用至少一个空格隔开，仅用于仿真不可综合；fs,ps,ns,us,ms,sec,min,hr错误等级（SeverityLevel）：表示系统状态，仅用于仿真不可综合；TYPEseverity_levelIS(NOTE、WARNING、ERROR、FAILURE);IEEE预定义标准逻辑位与矢量标准逻辑位（Std_Logic）标准逻辑位矢量（Std_Logic_vector）基于Std_Logic类型的数组；使用Std_Logic和Std_Logic_Vector要调用IEEE库中的Std_Logic_1164程序包；就综合而言，能够在数字器件中实现的是“－、0、1、Z”四种状态。在条件语句中，必须要全面考虑Std_Logic的所有可能取值情况，否则综合器可能会插入不希望的锁存器。U：Uninitialized；X：ForcingUnkown；0：Forcing01：Forcing1Z：HighImpedanceW：WeakUnknownL：Weak0H：Weak1—：Don’tcare枚举：typestatesis(idle，decision，read，write);typebooleanis(false，true);typebitis(‘0’，‘1’)；数组：typevalue_typeisarray(127downto0)ofinteger;typematrix_typeisarray(0to15,0to31)ofstd_logic；用户自定义TYPE数据类型名IS数据类型定义OF基本数据类型或TYPE数据类型名IS数据类型定义SUBTYPE子类型名IS基本数据类型定义RANGE约束范围subtypedigitisintegerrange0to9;3.1.3数据类型转换VHDL为强定义类型语言，不同类型的数据不能进行运算和直接赋值。类型标记法VariableA:integer;VariableB:real;A=integer(B);B=real(A);函数法Conv_interger(A)；--由std_logic转换为integer型，在std_logic_unsigned包。常数转换法/常量转换法Typeconv_tableisarray(std_logic)ofbit;Constanttable:conv_table:=(‘0’|’L’=’0’,‘1’|’H’=’1’,others=’0’);Signala:bit;signalb:std_logic;A=table(b);--将std_logic型转换为bit型具有转换表性质的常数在“STD_LOGIC_1164”、“STD_LOGIC_ARITH”和“STD_LOGIC_UNSIGNED”的程序包中提供的数据类型变换函数。属性属性提供的是关于信号、类型等的指定特性。‘event：若属性对象有事件发生，则生成布尔值“true”，常用来检查时钟边沿是否有效。上升沿：Clock’EVENTANDClock=‘1’’range：生成一个限制性数组对象的范围’left：生成数据类型或数据子类型的左边界值；’right,’high,’low,’length’range:“0ton”；’reverse_range：“ndownto0”运算符算术运算符：＋，－，*，/，MOD，REM，SLL，SRL，SLA，SRA，ROL，ROR，**，ABS关系运算符：＝，/＝，，，=，=逻辑运算符：AND，OR，NAND，NOR，XNOR，NOT，XOR赋值运算符：=，:=关联运算符：=其他运算符：＋，－，&并置操作符SIGNALa:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);SIGNALd:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);...a='1''0'd(1)'1';--元素与元素并置，并置后的数组长度为4...IFad=101011THEN...–-在IF条件句中可以使用并置符运算符优先级别逻辑、算术运算符（NOT，**，ABS）乘法运算符（/，MOD，REM，*）正负运算符：＋，－，加减、并置运算符：＋，－，&关系运算符：＝，/＝，，，=，=逻辑运算符：AND，OR，NAND，NOR，XNOR，NOT，XOR移位运算符的左边为一维数组，其类型必须是BIT或BOOLEAN，右边必须