一周掌握 FPGA VHDL Day 1
今天给大侠带来的是一周掌握 FPGA VHDL Day 1，今天开启第一天，下面咱们废话就不多说了，一起来看看吧。
在学习中，学习任何东西都有一个过程，一个初步认识到慢慢了解再到精通掌握的过程，当然，学习 VHDL 语法也是一样，首先你要了解什么是VHDL，然后结合实践再遵从理论，你才可能理解的更加迅速更加透彻。每日十分钟，坚持下去，量变成质变。
VHDL语言
VHDL:
VHSIC Hardware Description Language.
HDL----Hardware Description Language
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(Register Transfer Level)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 、Verilog HDL
VHDL 概述：
VHDL VHSIC Hardwarter Description Language
VHSIC Very High speed integrated circuit
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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。
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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）。
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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优点:
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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;
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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;
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VHDL语言可以与工艺无关编程;
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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:
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。
一、VHDL语言基础
1.1 标识符（Identifiers）
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。
要求：
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首字符必须是字母
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末字符不能为下划线
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不允许出现两个连续的下划线
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不区分大小写
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VHDL定义的保留字（关键字），不能用作标识符
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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。
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。
例如：ABS，ACCESS，AFTER，ALL，AND，ARCHITECTURE，ARRAY，ATTRIBUTE，BEGIN，BODY，BUFFER，BUS，CASE ， COMPONENT，CONSTANT，DISCONNECT，DOWN TO，ELSE， ELSIF，END，ENTITY，EXIT，FILE，FOR，FUNCTION， GENERIC，GROUP，IF，INPURE，IN，INOUT，IS，LABEL，LI BRARY，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
1.2 数据对象（Date Objects）
数据对象包括常量、变量、信号和文件四种类型。
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常量Constant
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
Constant Vcc：real:=5.0; --定义Vcc的数据类型是实数，赋值为5.0V
Constant bus_width：integer := 8; --定义总线宽度为常数8
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。
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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。
变量定义语句：
Variable 变量名：数据类型 :＝初始值;
Variable count: integer 0 to 255:=20 ；-- 定义count整数变量，变化范围0～255，初始值为20。
变量赋值语句：
目标变量名 := 表达式;
x:=10.0; -- 实数变量赋值为10.0
Y:=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(3 to 6):=(“1101”); --位矢量赋值
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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：
Signal 信号名: 数据类型 :＝初始值
Signal clock：bit :=‘０’; --定义时钟信号类型，初始值为0
Signal count：BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); --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<=x after 5 ns; -- 在5ns后将x的值赋予z
1.3 数据类型
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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。
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布尔：(Boolean) TYPE BOOLEAN IS (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
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位: ( Bit ) TYPE BIT IS (‘0’,’1’); --取值为0和1，用于逻辑运算
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位矢量: ( Bit_Vector )
TYPE BIT_VECTOR IS ARRAY (Natural range<>) OF BIT; -- 基于Bit类型的数组，用于逻辑运算 SIGNAL a：Bit_Vector(0 TO 7)；
SIGNAL a：Bit_Vector ( 7 DOWNTO 0)
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字符：(Character) TYPE CHARACTER IS (NUL, SOH,STX, …, ‘ ’, ‘!’,…); --通常用‘’引起 来，区分大小写；
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字符串：(String) VARIABLE string_var: STRING (1 TO 7);string_var:=“A B C D” ; -- 通常用“”引起来，区分大小写；
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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
variable a：integer range -63 to 63
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。
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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
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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
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错误等级（Severity Level） ：
表示系统状态，仅用于仿真不可综合；
TYPE severity_level IS (NOTE、WARNING、ERROR、FAILURE);
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IEEE预定义标准逻辑位与矢量
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标准逻辑位（Std_Logic）
U：Uninitialized；
X：Forcing Unkown；
0：Forcing 0
1：Forcing 1
Z：High Impedance
W：Weak Unknown
L：Weak 0
H：Weak 1
—：Don’t care
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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。
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用户自定义
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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
数组：
type value_type is array (127 downto 0) of integer;type matrix_type is array (0 to 15, 0 to 31) of std_logic；
枚举：
type states is (idle，decision，read，write);type boolean is (false，true);type bit is (‘0’，‘1’)；
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SUBTYPE 子类型名 IS 基本数据类型定义 RANGE 约束范围
subtype digit is integer range 0 to 9;
1.4 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。
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类型标记法
Variable A: integer;Variable B: real;A= integer (B);B=real (A);
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函数法
Conv_interger (A)；--由std_logic转换为integer型，在std_logic_unsigned包。
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常数转换法 / 常量转换法
Type conv_table is array(std_logic) of bit;Constant table: conv_table:=(‘0’|’L’=>’0’, ‘1’|’H’=>’1’, others=>’0’);Signal a: bit; signal b: std_logic;A<=table(b); -- 将std_logic型转换为bit型
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。
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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’ EVENT AND Clock=‘1’
’range：生成一个限制性数组对象的范围
’range: “0 to n” ；’reverse_range：“n downto 0”
’left：生成数据类型或数据子类型的左边界值；
’right , ’high, ’low, ’length
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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：＋， －，&
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并置操作符 &
SIGNAL a : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;
SIGNAL d : STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0) ;
...
a <= '1'&'0'&d(1)&'1' ; -- 元素与元素并置，并置后的数组长度为4
...
IF a & d = "101011" THEN ... –- 在IF条件句中可以使用并置符
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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， 右边必须是整数移位次数为整数的绝对值。
移位运算符操作示意图
SLL：将位向量左移，右边移空位补零；
SRL：将位向量右移，左边移空位补零；
SLA：将位向量左移，右边第一位的数值保持原值不变；
SRA：将位向量右移，左边第一位的数值保持原值不变；
ROL和ROR：自循环左右移位。
“1100”SLL1 =“1000”
“1100”SRL1 =“0110”
“1100”SLA1 =“1000”
“1100”SRA1 =“1110”
“1100”ROL1 =“1001”
“1100”ROR1 =“0110”
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取余运算
（a REM b）的符号与a相同，其绝对值小于b的绝对值。
例如：（-5）REM 2=（-1） 5 REM 2=（1）
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取模运算
（a MOD b）的符号与b相同，其绝对值小于b的绝对值。
例如：（-5）MOD 2=1 5 MOD (- 2)=（-1）
Day 1 就到这里，Day 2 继续开始VHDL基本结构。