第二章 VHDL语言元素

第二章  VHDL 语 言元 素

2.1    VHDL 语 言的客体

2.2    VHDL 语 言的数据 类 型

2.3    VHDL 数据 类 型 转换

2.4    VHDL 词 法 规则 与 标识 符

 

2.1   VHDL 语 言的客 体

VHDL 语 言中，可以 赋 予一个 质 的 对 象就称 为 客体 。客体主要包括以下三 种 ： 变 量（ VARIABLE ）、常量（ CONSTANT ）、信号（ SIGNAL ）。

2.1.1  常量（ CONSTANT ） ( 常数 )

定 义 一个常数主要是 为 了使 设计实 体中的某些量易于 阅读 和修改 。常数 说 明就是 对 某一常数名 赋 予一个固定的 值 。通常在程序 开 始前 进 行 赋值 ， 该值 的数据 类 型在 说 明 语 句中 说 明。

常数 说 明 语 句格式 为 ：

CONSTANT  常数名：数据 类 型  :=  表达式； 

例如：

CONSTANT Vcc : REAL := 5.0;

CONSTANT Fbus : BIT_VECTOR := “1011” ；

CONSTANT Delay : TIME := 10ns ；

注 : 常量是一个恒定不 变 的 值 ，一旦做了数据 类 型和 赋值 定 义 ，它在程序中就不能再改 变 。

2.1.2  变 量（ VARIABLE ）

变 量只能在 进 程和子程序中用，是一个局部量，不能将信息 带 出 对 它做出定 义 的当前 设计单 元 。与信号不同， 变 量的 赋值 是理想化数据 传输 ，其 赋值 是立即生效的，不存在任何的延 时 行 为 。

变 量定 义语 句的格式 为 ：

VARIABLE  变 量名  :  数据 类 型  :  约 束条件  :=  初始 值 ；

例如：

VARIABLE n: INTEGER RANGE 0 TO 15 := 2;

VARIABLE a: INTEGER;

变 量 赋值语 句的格式 为 ：

目 标变 量名  :=  表达式；

赋值语 句  “:=”  右 边 的表达式必 须 与目 标变 量具有相同的数据 类 型， 这 个表达式可以是一个运算表达式也可以是一个数 值 。 变 量 赋值语 句左 边 的目 标变 量可以是 单值变 量，也可以是 变 量的集合。

例如定 义变 量：

VARIABLE a ， b := REAL ；

VARIABLE x ， y := BIT_VECTOR （ 0 TO 7 ）；

2.1.3  信号（ SIGNAL ）

信号是 电 子 电 路内部硬件 连 接的抽象。它可以作 为设计实 体中的并行 语 句模 块间 交流信息的通道。 信号及其相 关 的延 时语 句 明 显 地体 现 了硬件系 统 的特征 。

信号定 义语 句的格式 为 ：

SIGNAL  信号名：数据 类 型： 约 束条件  :=    表达式； -- 定义时候使用

例如：

SIGNAL gnd  ： BIT := ‘0’ ；

SIGNAL data  ： STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);

信号 赋值语 句表达式 为 ：

目 标 信号名  <= 　表达式；                 -- 赋值时候使用

符号  “<=”  表示 赋值 操作，即将数据信息 传 入 。数据信息 传 入 时 可以 设 置延 时过 程 ， 这 与器件的 实际传 播延 时 十分接近。因此信号 值 的代入采用 “<=” 代入符，而不是像 变 量 赋值时 那 样 用 “: ＝ ” 。但信号定 义时 初始 赋值 符号 “: ＝ ” ，即仿真的 时间 坐 标 是从 赋 初始 值开 始的 。

信号 赋值语 句 举 例：

X <= y;

a <= ‘1’ ；

s1 <= s2 AFTER 10 ns ；

-- 注意 : 变 量和信号都必 须 先定 义 , 后 赋值 。注意 赋值 符 “<=” 和  “: ＝ ” 的差 别 。

信号与 变 量的区 别 ：

信号和 变 量是 VHDL 中重要的客体，他 们 之 间 的主要区 别 有：

· 信号 赋值 至少要有δ延 时 ；而 变 量 赋值 没有 。

· 信号除当前 值 外有 许 多相 关 的信息，如 历 史信息和投影波形；而 变 量只有当前 值 。

· 进 程 对 信号敏感而不 对变 量敏感 。

· 信号可以是多个 进 程的全局信号；而 变 量只在定 义 他 们 的 顺 序域可 见 （共享 变 量除外） 。

· 信号是硬件中 连线 的抽象描述，他 们 的功能是保存 变 化的数据 值 和 连 接子元件，信号在元件的端口 连 接元件。 变 量在硬件中没有 类 似的 对应关 系，他 们 用于硬件特性的高 层 次建模所需要的 计 算中 。

2.2 VHDL 语 言的数据 类 型

      在 对 VHDL 的客体 进 行定 义时 ，都要指定其数据 类 型。 VHDL 有多 种标 准的数据 类 型，并且允 许 用 户 自定 义 数据 类 型。在 VHDL 语 言 语义约 束中， 对类 型的要求反映在 赋值语 句的目 标 与源的一致，表达式中操作的一致，子 类 型中 约 束与 类 型的一致等 许 多方面 。

2.2.1 VHDL 中 预 定 义 的数据 类 型（ 编 程者可直接使用 ）

        预 定 义类 型在 VHDL 标 准程序包 STANDARD 中定 义 ，在 应 用中自 动 包含 进 VHDL 的源文件，不需要 USE 语 句 显 示 调 用 。数据 类 型 说 明如下 。

1. 整数（ INTEGER ）

        整数与数学中整数的定 义 相似，可以使用 预 定 义 运算操作符，如加 “ ＋ ” 、减 “ － ” 、乘 “ × ” 、除 “ ÷ ” 进 行算 术 运算。在 VHDL 语 言中，整数的表示范 围为 － 2147483647 ～ 2147483647 ，即从－ (231 － 1) 到 (231 － 1) 。

2. 实 数（ REAL ）

在 进 行算法研究或 实验时 ，作 为对 硬件方案的抽象手段，常常采用 实 数四 则 运算。 实 数的定 义值 范 围为 － 1.0E+38 ～ +1.0E+38 。 实 数有正 负 数， 书 写 时 一定要有小数点 。例如：－ 1.0 ， +2.5 ，－ 1.0E+38

 

3. 位（ BIT ）

用来表示数字系 统 中的信号 值 。位 值 用字符 ‘0’ 或者 ‘1’ （将 值 放在引号中）表示。与整数中的 1 和 0 不同， ‘1’ 和 ‘0’ 仅仅 表示一个位的两 种 取 值 。

位数据可以用来描述数字系 统 中 总线 的 值 。位数据不同于布 尔 数据，可以用 转换 函数 进 行 转换 。

4. 位矢量（ BIT_VECTOR ）

位矢量是用双引号括起来的一 组 数据。例如： “001100” ， X“00bb” 。在 这 里位矢量前面的 X 表示是十六 进 制 。用位矢量数据表示 总线 状 态 最形象也最方便，在 VHDL 程序中将会 经 常遇到。 使用位矢量 时 必 须 注明位 宽 ， 即数 组 中元素个数和排列， 例如：

SIGNAL s1 ： BIT_VECTOR （ 15 DOWNTO 0 ）；

5. 布 尔 量 （ BOOLEAN ）

一个布 尔 量具有两 种 状 态 ， “ 真 ” 或者 “ 假 ” 。 虽 然布 尔 量也是二 值 枚 举 量，但它和位不同没有数 值 的含 义 ，也不能 进 行算 术 运算。它能 进 行 关 系运算 。例如，它可以在 if 语 句中被 测试 ， 测试结 果 产 生一个布 尔 量 TRUE 或者 FALSE 。

6. 字符（ CHARACTER ）

    字符也是一 种 数据 类 型，所定 义 的 字符量通常用 单 引号 括起来， 如 ‘a’ 。一般情况下 VHDL 对 大小写不敏感，但 对 字符量中的大小写 则认为 是不一 样 的 。例如， ‘B’ 不同于 ‘b’ 。字符量中的字符可以是从 a 到 z 中的任一个字母，从 0 到 9 中的任一个数以及空格或者特殊字符，如 $ ， @ ， % 等等。包集合 standard 中 给 出了 预 定 义 的 128 个 ASC Ⅱ 码 字符，不能打印的用 标识 符 给 出。字符 ‘1’ 与整数 1 和 实 数 1.0 都是不相同的，当要明确指出 1 的字符数据 时 ， 则 可写 为 ： CHARACTER （  ‘ 1’ ）。

7. 字符串（ STRING ）

字符串是由双引号括起来的一个字符序列，也称字符矢量或字符串 组 。字符串常用于程序的提示和 说 明。字符串 举 例如下：

VATIABLE string_1 : STRING (0TO 3);

┇

string_1:= “a b c d”;

8. 时间 （ TIME ）

时间 是一个物理量数据。完整的 时间 量数据 应 包含整数和 单 位 两部分，而且整数和 单 位之 间 至少 应 留一个空格的位置 。例如 55 sec ， 2 min 等。在包集合 STANDARD 中 给 出了 时间 的 预 定 义 ，其 单 位 为 fs ， ps ， ns ，μ s ， ms ， sec ， min 和 hr 。例如： 20 μ s ， 100 ns ， 3 sec 。

在系 统 仿真 时 ， 时间 数据特 别 有用，用它可以表示信号延 时 ，从而使模型系 统 能更逼近 实际 系 统 的运行 环 境 。

9. 错误 等 级 （ SEVERITY LEVEL ）

错误 等 级类 型数据用来表征系 统 的状 态 ，共有 4 种 ： note （注意）， warning （警告）， error （出 错 ）， failure （失 败 ） 。在系 统 仿真 过 程中可以用 这 4 种 状 态 来提示系 统 当前的工作情况，从而使 设计 人 员 随 时 了解当前系 统 工作的情况，并根据系 统 的不同状 态 采取相 应 的 对 策 。

10. 大于等于零的整数（自然数）（ NATURAL ），正整数（ POSITIVE ）

这 两 种 数据是整数的子 类 ， NATURAL 类 数据 为 取 0 和 0 以上的正整数；而 POSITIVE  则 只能 为 正整数 。

上述 10 种 数据 类 型是 VHDL 语 言中 标 准的数据 类 型，在 编 程 时 可以直接引用。如果用 户 需使用 这 10 种 以外的数 据 类 型， 则 必 须进 行自定 义 。但大多数的 CAD 厂商已在包集合中 对标 准数据 类 型 进 行了 扩 展 。例如，数 组 型数据等， 请 同学 们 注意 。

2.2.2  用 户 自定 义 的数据 类 型

可以由用 户 定 义 的数据 类 型有：

· 枚 举 （ ENUMERATED ） 类 型；

· 整数（ INTEGER ） 类 型；

· 实 数 （ REAL ）、浮点数（ FLOATING ） 类 型；

· 数 组 （ ARRAY ） 类 型；

· 存取（ ACCESS ） 类 型；

· 文件（ FILE ） 类 型；

· 记录 （ RECORDE ） 类 型；

· 时间 （ TIME ） 类 型（物理 类 型） 。

2.2.3 IEEE 预 定 义标 准

1. 标 准化数据 类 型

IEEE‘93 增加了多 值逻辑 包 STD_LOGIC_1164 ，使得 “STD_LOGIC” 数据具有 9 种 不同的 值 。其定 义 如下所示：

TYPE   STD_LOGIC IS  （

     ‘U’ ，               - -  初始 值

     ‘X’ ，               - -  不定

      ‘0’ ，               - - 0

      ‘1’ ，              - - 1

      ‘Z’ ，                 - -    高阻

     ‘W’ ，                 - -    弱信号不定

      ‘L’ ，                 - -  弱信号 0

     ‘H’ ，                  - -  弱信号 1

     ‘—’                     - -  不可能情况

           ）；                   --9 种不同的值

2.3 VHDL 数据 类 型 转换

在 VHDL 程序 设计 中不同的数据 类 型的 对 象之 间 不能代入和运算。 实现 他 们 之 间 数据 类 型的 转换 有 3 种 方法：

· 类 型 标记 法 ；

· 函数 转换 法 ；

· 常数 转换 法 。

2.3.1  用函数 进 行 类 型 转换

VHDL 语 言中，程序包中提供了 变换 函数 ， 这 些程序包有 3 种 ， 每 个程序包中的 变换 函数不一 样 。 现 列表如下 。

·STD_LOGIC_1164 包集合函数

函数  TO_ STDLOGICVECTOR （ A ）

由 BIT_VECTOR 转换为 STD_LOGIC_VECTOR

函数  TO_ BITVECTOR （ A ）              

由 STD_LOGIC_VECTOR 转换为 BIT_VECTOR

函数  TO_ STDLOGIC （ A ）                   由 BIT 转换为 STD_LOGIC

函数  TO_ BIT （ A ）                          由 STD_LOGIC 转换为 BIT

.STD_LOGIC_ARITH 包集合函数

函数： CONV_STD_LOGIC_VECTOR (A, 位 长 ) 

由 UNSINGED ， SINGED 转换为 INTEGER  

STD_LOGIC_ UNSINGED 包集合

函数： CONV_INTEGER (A)        由 STD_LOGIC_VECTOR 转换为 INTEGER

·STD_LOGIC_ UNSINGED 包集合

函数： CONV_INTEGER (A)

     由 INTEGER ， UNSINGED ， SINGED 转换为  STD_LOGIC_VECTOR

2.3.2  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 法适合那些 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 。

例如：

VARIABLE I ： INTEGER ；

VARIABLE R ： REAL ；

 I := INTEGER （ R ）；

 R := REAL （ I ）；

2.3.3  常数 实现类 型 转换

就模 拟 效率而言，利用常数 实现类 型 转换 比利用 类 型 转换 函数的效率更高 。

下面的例子使用常数把 类 型 为 STD_LOGIC 的 值转换为 BIT 型的 值 。

例 :

LIBRARY IEEE ；

USE IEEE. STD_LOGIC_1164.ALL ；

ENTITY typeconv IS

END ；

ARCHITECTURE arch OF typeconv IS

    TYPE typeconv_type IS ARRAY （ STD_ULOGIC ） OF BIT ； -- 定义一个类型

CONSTANT typecon_con ： typeconv_type ： = （ ‘0’/‘L’=>‘0’ ， ‘1’/‘H’ =>1’ ， OTHERS=>‘0’ ）；

SIGNAL b ： BIT ；

SIGNAL b ： BIT ；                      SIGNAL s ： STD_ULOGIC ；  

BEGIN

 b<= typecon_con (s) ； -- 常数实现类型转换

2.4 VHDL 操作符

与其他程序 设计语 言相似， VHDL 中的表达式也是由运算符将基本元素 连 接起来形成。 这 里的基本元素包括 对 象名、文字、函数 调 用及用括号括起来的表达式。

在 VHDL 语 言中共有 4 类 操作符 ，可以分 别进 行 逻辑 运算 （ LOGICAL ）、 关 系运算 （ RELATIONAL ）、算 术 运算 （ ARITHMETIC ）和并置运算（ CONCATENATION ） 。需要指出的是操作符操作的 对 象是操作数，且操作数的 类 型 应该 和操作符所要求的 类 型相一致 。另外，运算操作符是有 优 先 级 的 ，例如， 逻辑 运算符 not ，在所有操作符中 优 先 级 最高 。

1. 逻辑 运算符

在 VHDL 语 言中，共有 6 种逻辑 运算符，他 们 分 别 是：

 NOT         取反；

 AND         与；

 OR            或；

   NAND     与非；

   NOR        或非；

   XOR        异或。

这 6 种逻辑 运算符可以 对 “STD_LOGIC ” 和 “BIT” 等 逻辑 型数据、 “STD_LOGIC _VECTOR” 逻辑 型数 组 及 布 尔 数据 进 行 逻辑 运算 。 必 须 注意，运算符的左 边 和右 边 ，以及代入的信号的数据 类 型必 须 是相同的 。

2. 算 术 运算符

VHDL 语 言中有 5 类 算 术 运算符，他 们 分 别 是：

· 求和操作符： ＋（加）、－（减）

· 求 积 操作符 :* （乘）、 / （除）、 MOD （求模）、 REM （取余）

· 符号操作符： ＋（正）、－（ 负 ）

· 混合操作符： ** （指数）、 ABS （取 绝对值 ）

· 移位操作符： S LL （ 逻辑 左移）、 SRL （ 逻辑 右移）、 SLA （算 术 左移）、 SRA （算 术 右移）、 ROL （ 逻辑 循 环 左移）、 ROR 逻辑 循 环 右移 ）

3. 关 系运算符

VHDL 语 言中有 6 种关 系运算符，他 们 分 别 是：

 =        等于；

 /=       不等于；

 <        小于；

  <=     小于等于；

 >        大于；

 >=      大于等于；

4. 并置运算符

&     连 接

SIGNAL g ， h ， i ： STD_LOGIC ；

SIGNAL c ， d ， e ： STD_LOGIC _VECTOR （ 1 TO 0 ）；

                ┇    

d <= i & NOT h ；              - - 元素与元素并置，形成 长 度 为 2 的数 组

 a <= c & d ；          - - 数 组 与数 组 并置，形成 长 度 为 4 的数 组

5.VHDL 操作符的 优 先 顺 序

运算符                                                                     优 先 级

NOT ， ABS ， **                                                          最高 优 先 级

* ， / ， MOD ， REM

+ （正号），－（ 负 号）

+ ，－， & 

SLL ， SLA ， SRL ， SRA ， ROL ， ROR

= ， /= ， < ， > ， <= ， >=

AND ， OR ， NAND ， NOR ， XOR ， XNOR                                  最低 优 先 级

2.4 VHDL 词 法 规则 与 标识 符

2.4.1  词 法 规则

1. 注 释

     为 了提高 VHDL 源程序的可 读 性，在 VHDL 中可以写入注 释 。注 释 以 - - 开头 直到本行末尾的一段文字。在 MUX+PLUS Ⅱ中可以看 见 ， 敲入 - - 之后，后面字体的 颜 色就 发 生改 变 。注 释 不是 VHDL 设计 描述的一部分， 编译 后存入数据 库 中的信息不包含注 释 。

注 释举 例：

Q ： OUT STD_LOGIC _VECTOR （ 11 DOWNTO 0 ）； --A/D 转换 数据 输 出 显 示（ 行注 释 ）

--SRAM  数据写入控制状 态 机（ 段注 释 ）

WRIT_STATE ： PROCESS （ clk ， rst ） --SRAM 写入控制状 态 机 时 序 电 路 进 程

2. 数字

数字型文字可以有多 种 表达方式：可以是十 进 制数，也可以表示 为 二 进 制、八 进 制或十六 进 制 等 为 基的数，可以是整数，也可以是含有小数点的浮点数。 现举 例如下。

· 十 进 制整数表示法：如

012     5     78_456 (=78456)      2E6

在相 邻 数字之 间 插入下划 线 ， 对 十 进 制数 值 不 产 生影响， 仅仅 是 为 了提高文字的可 读 性 。允 许 在数字之前冠以若干个 0 ，但不允 许 在数字之 间 存在空格 。

· 以基表示的数：用 这种 方式表示的数由五个部分 组 成。第一部分，用十 进 制数 标 明数 值进 位的基数；第二部分，数 值 隔离符号 “#” ；第三部分，表达的文字；第四部分，指数隔离符号 “#” ；第五部分，用十 进 制表示的指数部分， 这 一部分的数如果 为 0 可以省去不写。 如

2#111_1011#     8#1473#    16#A8#E1     016#F.01#E+4

对 以基表示的数而言，相 邻 数字 间 插入下划 线 不影响数 值 。基的最小数 为 2 ，最大数 为 16 ，以基表示的数中允 许 出 现 A 至 F 的字母，大小写字母意 义 无区 别 。

· 实 数： 实 数必 须带 有小数点 。如

      12.0    0.0    3.14    6_741_113.666    52.6 E － 2

· 物理量文字： 综 合器不支持物理量 文字的 综 合 。如

      60 s （秒）      100 m  （米）         177 A （安培）

3. 字符和字符串

字符是用 单 引号引起来的 ASC Ⅱ字符，可以是数 值 ，也可以是符号或字母，如

       ‘E’ ，    ‘e’ ，    ‘$’ ，    ‘23’ ，  ‘A’…

字符串是一 维 的字符数 组 ，需放在双引号中。有两 种类 型的字符串：文字字符串和位矢量字符串。

文字字符串是用双引号引起来的一串文字。如

   “FALSE” ，  “X” ，     “THIS IS END”

位矢量字符串是被双引号引起来的 扩 展的数字序列，数字序列前冠以基数 说 明符。基数符有 “B” 、 “O” 、 “X” ，他 们 的含 义 如下。

B ：二 进 制基数符号，表示二 进 制位 0 或 1 ，在字符串中 每 一个位表示一个 BIT 。

O ：八 进 制基数符号，在字符串中 每 一个数代表一个八 进 制数，即代表一个 3 位（ BIT ）的二 进 制数。

X ：十六 进 制基数符号，代表一个十六 进 制数，即代表一个 4 位二 进 制数。

例如：

    B“1011_1111” ，    O“152” ，     X“F821”

4. 下 标 名

下 标 名用于指示数 组 型 变 量或信号的某一元素 。

SIGNAL a ， b ： BIT _VECTOR （ 0 TO 3 ）；

SIGNAL s ： INTEGER RANGE 0 TO 2 ；

SIGNAL x ， y ： BIT;

x <= a (s);

y <= b (3);

上例中， a (s) 为 一下 标语 句， s 是不可 计 算的下 标 名，只能在特定情况下 进 行 综 合； b (3) 的下 标为 3 ，可以 进 行 综 合 。

2.4.2  标识 符

      标识 符是最常用的操作符，可以是常数、 变 量、信号、端口、子程序或参数的名字。 标识 符 规则 是 VHDL 语 言中符号 书 写的一般 规则 ， 为 EDA 工具提供了 标 准的 书 写 规 范。 VHDL’93 对 VHDL’87 版本的 标识 符 语 法 规则进 行了 扩 展，通常称 VHDL’87 版本 标识 符 为 短 标识 符， VHDL’93 版 标识 符 为扩 展 标识 符。

1. 短 标识 符

VHDL 短 标识 符需遵守以下 规则 ：

（ 1 ）必 须 以 英文字母 开头 ；

（ 2 ）英文字母、数字（ 0 ～ 9 ）和下划 线 都是有效的字符；

（ 3 ）短 标识 符不区分大小写；

（ 4 ）下划 线 （ _ ）的前后都必 须 有英文字母或数字 。

一般的，在 书 写程序 时 ， 应 将 VHDL 的保留字大写或黑体， 设计 者 自己定 义 的字符小写 ，以使得程序便于 阅读 和 检查 。尽管 VHDL 仿真 综 合 时 不区分大小写，但一个 优 秀的硬件程序 设计师应该养 成良好的 习惯 。

例：

一些合法的 标识 符：

S_MACHINE ， present_state ， sig3

不合法的 标识 符：

present-state ， 3states ， cons_,_now   

2. 扩 展 标识 符

扩 展 标识 符的 识别 和 书 写有下面的 规则 ：

（ 1 ）用反斜杠来界定 扩 展 标识 符， 如  /control_machine/ ， /s_block/  等都是合法的 扩 展 标识 符；

（ 2 ） 扩 展 标识 符允 许 包含 图 形符号和空格，如  /s&33/ ， /legal$state/  是合法的 扩 展 标识 符；

（ 3 ）两个反斜杠之 间 的字可以和保留字相同，如  /SIGNAL/ ， /ENTITY/  是合法的 标识 符，与 SIGNAL 、 ENTITY 是不同的；

（ 4 ）两个反斜杠之 间 的 标识 符可以用数字 开头 ，如  /15BIT/ ， /5ns/ 是合法的；

（ 5 ） 扩 展 标识 符是区分大小写的，如  /a/  与  / A/  是不同的 标识 符；

（ 6 ） 扩 展 标识 符允 许 多个下划 线 相 邻 ，如  /our_ _entity/  是合法的 扩 展 标识 符（ 不推荐 这种 方式 ）；

（ 7 ） 扩 展 标识 符的名字中如果含有一个反斜杠， 则 用相 邻 的两个反斜杠来代表它，如  /te//xe/  表示 该扩 展 标识 符的名字 为 te/xe  （共 5 个字符）；

原文地址：http://blog.csdn.net/skyyunmi/article/details/1572343