VHDL课件

硬件描述语言及器件教材：任勇峰等编著《VHDL与硬件实现速成》主讲教师：刘文怡08/09学年第1学期2008-09~2008.12教学安排第1讲：VHDL概述及其开发环境第2讲：VHDL的基本元素第3讲：VHDL的进程第4讲：其它并行语句第5讲：VHDL实例剖析第6讲：VHDL的顺序描述语句第7讲：结构体的描述风格第8讲：计数器和状态机第9讲：不同风格的状态机举例第10讲：VHDL综合举例2008-09~2008.12第2讲：VHDL的基本元素1标识符2数据对象3数据类型4操作符5端口模式2008-09~2008.121标识符标识符规则是VHDL语言中符号书写的一般规则。不仅对电子系统设计工程师是一个约束，同时也为各种各样的EDA工具提供了标准的书写规范，使之在综合仿真过程中不生产生歧义，易于仿真。VHDL语言有两个标准版：VHDL’87版和VHDL’93版。VHDL’87版的标识符语法规则经过扩展后，形成了VHDL’93版的标识符语法规则。前一部分称为短标识符，扩展部分称为扩展标识符。VHDL’93版含有短标识符和扩展标识符两部分。2008-09~2008.12短标识符(1)短标识符VHDL的短标识符是遵守以下规则的字符序列：(1)必须以英文字母打头。(2)字符可以是大写、小写的数字(0～9)和下划线(_)。(3)下划线前后都必须有英文字母或数字。(4)EEA工具综合、仿真时，短标识符不区分大小写。一般地，对VHDL的保留字：ENTITY，ARCHITECTURE，END，BUS，USE，WHEN，WAIT，IS…在程序书写时，一般要求大写或黑体，使得程序易于阅读，易于检查错误。2008-09~2008.12短标识符(2)下面是合法的标识符：multi_screensMulti_screensMulti_ScreensMULTI_SCREENS下面的书写是不合法的：illegal%nameillegal-nameillegal-name2008-09~2008.12扩展标识符扩展标识符是VHDL’93版增加的标识符书写规则：(1)扩展标识符用反斜杠来定界。\multi_screens\，\eda_centrol\等都是合法的扩展标识符。(2)允许包含图形符号、空格符。例如：\modeA\,\$100\,\p%name\等。(3)反斜杠之间的字符可以用保留字。例如：\buffer\,\entity\,\end\等。(4)扩展标识符的界定符两个斜杠之间可以用数字打头。如：\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。2008-09~2008.122数据对象(1)在VHDL语言中，凡是可以赋于一个值的客体叫对象(object)。VHDL对象包含有专门数据类型，主要有4个基本类型：常量(CONSTANT)、信号(SIGNAL)、变量(VARIABLE)和文件(FILES)。其中文件类型是VHDL’93标准中新通过的。2008-09~2008.12数据对象(2)信号和变量可以连续的赋于不同的值。常量只在它被说明时赋值，在整个器件工作期间值不变化。试图对常量多次赋值是错误的。文件可以用参数向子程序传递数据，通过子程序对文件进行读和写操作。文件不可以通过赋值来更新文件的内容，文件参数没有模式。2008-09~2008.12数据对象（3）对象说明的一般书写格式为：对象类别标识符表：子类型标识[:＝初值]；对象说明举例：CONSTANTT1，T2：time:＝30ns，--常量说明VARIABLESUM：read；--变量说明SIGNALCLOCK：bit；--信号说明FILEinput：TextISIN“STD_INPUT”--文件说明2008-09~2008.12数据对象（4）对象的赋值规则：可用函数调用的方法给对象赋初值。CONSTANTBus－number：Integer:＝My_function(True，6)；如果在同一个对象说明语句中，对多个同一类型的对象指定初始值，则多个对象同时取得了这一指定值。信号和变量的默认值。当信号和变量没有指定初始值或没有给信号变量赋值时，即信号和变量的值在对象说明语句中默认时，信号变量的取值称为默认值。一般地，若变量为字符型变量则取最大值；若变量、信号为数值型变量，则取初始值，默认值为‘0’2008-09~2008.12常量（1）常量(constant)是设计者给实体中某一常量名赋予的固定值。一般地，常量赋值在程序开始前进行说明，数据类型在实体说明语句中指明。常量说明的一般格式如下：CONSTANT常数名：数据类型:＝表达式；根据上面的格式，举例如下：8位寄存器宽度指定：CONSTANTwidth：integer:＝8；设计实体的电源供电电压指定：CONSTANTVcc：real:＝5.0；某一模块信号输入/输出的延迟时间：CONSTANTDALY：time:＝100ns；3数据对象2008-09~2008.12常量（2）常量标识符、WIDTH，VCC，DALY，PBUS等在VHDL程序中多处有用，其值在运行中不变。若要改变常量值，必须要改变设计，改变实体中的常量说明，然后重新编译。常量必须在程序包、实体、结构体或进程的说明区域中对常量的标识符、类型、常量值进行指定。定义在程序包中的常量由所在的实体或结构体调用。定义在实体内的常量仅在实体内使用，定义在进程内的常量仅在进程内使用。2008-09~2008.12变量（1）变量(variables)仅用在进程语句、函数语句、过程语句中的结构中使用，变量是一个局部量，变量的赋值立即生效，不产生赋值延时。变量书写的一般格式为：VARIABLES变量名：数据类型约束条件:＝表达式；根据上述格式，举例如下：VARIABLESresult：std_logic:＝'0'；—变量赋初值VARIABLESx，y，z：integer；VARIABLEScount：integerrange0TO255:＝10；2008-09~2008.12变量（2）在VHDL语言中，变量的使用规则和限制范围说明如下：变量赋值是直接非预设的。在某一时刻仅包含了一个值。变量赋值和初始化赋值符号用“:＝”表示。变量不能用于硬件连线和存储元件。在仿真模型中，变量用于高层次建模。在系统综合时，变量用于计算，作为索引载体和数据暂存。在进程中，变量的使用范围在进程之内。若将变量用于进程之外，必须将该值赋给一个相同类型的信号，即进程之间传递数据靠的是信号。2008-09~2008.12信号(1)信号(signal)是电子电路内部硬件实体相互连接的抽象表示。信号通常在构造体、包集合和实体说明中使用，其一般书写格式为：SIGNAL信号名：数据类型、约束条件:＝表达式；使用上述格式举例如下：SIGNALsys_clk：BIT:＝‘0’；--系统时钟信号SIGNALcount：bit_vector(7downto0)；--计数器宽度2008-09~2008.12信号（2）有关信号的使用规则说明如下：“:=”表示对信号直接赋值，表示信号初始值不产生延时。“=”表示代入赋值，是变量之间信号的传递，代入赋值法允许产生延时。例如：T1=T2；在仿真中，初始化能保证信号设定在指定值上。对于存储元件的加电初始状态，应该设计复位或予置位机构，而不是通过信号指定初始化值来实现。在EDA工具综合时，信号应在结构体中描述清楚。2008-09~2008.124数据类型VHDL语言标准定义了10种标准的数据类型。为了方便设计，允许用户自定义数据类型。VHDL语言程序是系统行为的描述、功能的说明和结构的组织，使用规范化语言，有着很强的约束性。不同的数据类型不能直接代入，相同的类型，位长不同也不能代入。EDA工具在编译、综合时会报告类型错。2008-09~2008.12数据类型（2）VHDL语言标准所定义的标准数据类型(1)整数类型(INTEGERTYPE)(2)实数类型或浮点类型(REALTYPE＆FLOATINGTYPE)(3)位类型(BITTYPE)std_logic(4)位矢量类型(BIT_VECTORTYPE)std_logic_vector(5)布尔类型(BOOLEANTYPE)(6)字符类型(CHARACTERTYPE)(7)时间类型或物理类型(Timetype＆physicaltype)(8)错误类型(NOTE，WARNIING，ERROR，FAILURETYPE)(9)自然数、整数类型(NATURALTYPE)(10)字符串类型(TRINGTYPE)2008-09~2008.12数据类型（3）布尔量(BOOLEAN)布尔量是二值枚举量，每一个布尔量具有两个可能的值：“真”或者“假”。布尔量没有数量多少的概念，不能进行算术运算，只能进行逻辑运算。布尔量常用来表达信号的状态，或者总线上的控制权，仲裁情况，忙、闲状态等。若某个客体被定义为布尔量，则EDA工具对设计进行仿真时，自动地对其赋值情况进行核查。2008-09~2008.12数据类型（4）字符(CHARACTER)字符在VHDL语言中编程时用单引号括起来。‘A’，‘a’，‘B’，‘b’，都认为是不同的字符。VHDL语言对大小写英文字母不敏感，但区分字符量中的大小写。字符‘1’，‘2’仅是符号。字符包括A～Z，a～z，0～9，空格及一些特殊字符。2008-09~2008.12数据类型（5）字符串(STRING)字符串是由双引号括起来的一个字符序列。例如“VHDL”，“STRING”，“MULTI_SCREENCOMPUTER”等。字符串在其他文献中也称为字符矢量或字符串数组。字符串一般用于程序的提示、结果的说明等场合。2008-09~2008.12数据类型（6）整数(INTEGER)在VHDL语言中，整数范围从－(231－1)到(231－1)，例如：＋128，＋5，－12，…。在电子系统中，整数可以用进制来表示。整数不能看作矢量，不能单独对某一位操作。整数不能用于逻辑运算，只能用于算术运算。对象的数据类型定义为整数时，范围应有约束。例如：VARIABLEA：INTEGERRANGE－128TO128；在电子系统设计过程中，整数可以用来抽象地表达总线的状态。2008-09~2008.12数据类型（7）位(BIT)位通常用来表示一个信号的值。位通常用单引号来括号引其位的值。如：TYPEBITIS('0'，'1')；位的值‘0’，‘1’表示信号的状态；布尔量的值‘0’，‘1’表示‘假’，‘真’。两者的意义不一样。2008-09~2008.12类型转换(1)在VHDL程序设计中，不同类型的对象不能代入。对于某一数据类型的变量、信号、常量、文件赋值时，类型一定要一致，否则EDA工具进行综合、仿真等过程中不能通过。为了进行不同类型的数据变换，可以有3种方法：类型标记法、函数转换法和常数转换法。2008-09~2008.12类型转换(2)用类型标记法实现类型转换类型标记就是类型的名称。类型标记法仅适用于关系密切的标量类型之间的类型转换，即整数和实数的类型转换。若：variablei：integer；variabler：real；则有：i:＝integer(r)；r:＝real(i)；2008-09~2008.12类型转换(3)用函数法进行数据类型转换，VHDL语言标准中的程序包提供的变换函数来完成这个工作。这些程