《電子設(shè)計自動化》課件第4章

4.1VHDL語言概述

4.2VHDL語言的特點

4.3VHDL語言的數(shù)據(jù)類型

4.4VHDL的數(shù)據(jù)對象

4.5運算操作符

4.6實訓：設(shè)計2選1數(shù)據(jù)選擇器

習題4.1VHDL語言概述

VHDL(Very-high-speedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)誕生于1982年，是美國國防部委托IBM和TexasInstruments聯(lián)合開發(fā)的。該語言的設(shè)計目標有兩個：一是使設(shè)計者可以用一種語言來描述他們希望描述的復雜電路；二是希望這種語言成為一種標準，使VHSIC計劃中的每一個成員都能夠按照標準格式向別的成員提供設(shè)計。

1986年，VHDL被建議作為IEEE標準，經(jīng)過了多次修改后，到1987年12月，它被接納為IEEE的標準。自IEEE公布了VHDL的標準版本——IEEE1076(簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和VHDL接口。此后，VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代了原有的非標準硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，增加了文件類型與說明語句，增加了文件操作的功能，增加了操作符，并定義了共享變量，端口映射中可以采用常量等，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展了VHDL的內(nèi)容。?新版本的VHDL即IEEE-1076-1993版本(簡稱93版)，讀者可參閱相應(yīng)的手冊?，F(xiàn)在，VHDL和VerilogHDL作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，在電子工程領(lǐng)域已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中，VHDL與VerilogHDL將承擔起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。本書主要是以87版為基礎(chǔ)編寫的，在用一些EDA工具軟件進行編譯時，要事先指定版本號，這一點請注意。

VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式、描述風格與句法與一般的計算機高級語言基本相同。4.2VHDL語言的特點如今，大多數(shù)EDA工具軟件都采用VHDL語言作為主要的硬件描述語言，這主要源于VHDL強大的自身功能與特點。VHDL語言有如下特點：

(1)?VHDL是工業(yè)標準的文本格式語言。VHDL已成為一種工業(yè)標準，設(shè)計者、EDA工具供應(yīng)商以及芯片生產(chǎn)廠家都要遵循這一標準。該語言是一種文本格式的語言，ASIC的設(shè)計者在設(shè)計電路時，就像編寫其他高級語言一樣，用文本來表達所要設(shè)計的電路，這樣能比較直觀地表達設(shè)計者的設(shè)計思想，并且易于修改。

(2)?VHDL具有強大的描述能力。VHDL語言既可以描述系統(tǒng)級電路，也可以描述門級電路；既可以采用行為級描述、數(shù)據(jù)流描述或結(jié)構(gòu)化描述，也可以采用三者混合的描述方式。VHDL還支持慣性延遲和傳輸延遲，可以方便地建立電子系統(tǒng)的模型，其強大的描述功能主要來自于強大的語法結(jié)構(gòu)和豐富的數(shù)據(jù)類型。

(3)?VHDL能同時支持仿真與綜合。VHDL語言是一種能夠支持系統(tǒng)仿真的語言。事實上，ASIC成功的關(guān)鍵在于生產(chǎn)前的設(shè)計，而保證設(shè)計正確性的主要手段就是系統(tǒng)仿真。目前大部分的EDA工具支持VHDL語言級仿真。這樣，設(shè)計者在ASIC生產(chǎn)前就能夠知道設(shè)計的正確與否、系統(tǒng)的性能如何等關(guān)鍵問題。

VHDL不僅僅是一種仿真語言，它的大部分語句是可綜合的，但也有一部分不支持綜合，但其中的可綜合語句足以描述一個大而完整的系統(tǒng)。目前所有的高層綜合工具所支持的綜合語句都是IEEE標準的一個子集。因此，VHDL語言可以有兩種完全不同的描述：一種是基于仿真的描述，它可以使用VHDL定義的各種語句，這類程序主要供編寫測試基準程序和各種仿真模型的工程師使用；另外一種是用于生成具體電路的可綜合描述，它只能使用VHDL中的可綜合子集，這類程序主要供從事電路設(shè)計的工程師使用，本書中主要偏重于這種類型的VHDL描述。

(4)?VHDL是一種并發(fā)執(zhí)行的語句。幾乎所有高級語言程序的執(zhí)行都是順序的，而VHDL語言執(zhí)行在總體上是并行的，這種特性符合實際邏輯電路的工作過程。

(5)?VHDL支持結(jié)構(gòu)化設(shè)計與top-down設(shè)計方法。VHDL語言是一種結(jié)構(gòu)化的語言，它提供的語句可以完成多層結(jié)構(gòu)的描述，因此VHDL語言支持結(jié)構(gòu)化設(shè)計。結(jié)構(gòu)化設(shè)計就是將一個系統(tǒng)劃分為多個模塊，而每個模塊又可以繼續(xù)劃分為更多的子模塊。EDA設(shè)計是自頂向下的，由于VHDL語言支持結(jié)構(gòu)化設(shè)計，因而就可以采用top-down設(shè)計方法，從系統(tǒng)整體要求出發(fā)，自上而下地逐步將系統(tǒng)內(nèi)容細化，最后完成系統(tǒng)設(shè)計。

(6)?VHDL的描述與工藝無關(guān)。設(shè)計者在利用VHDL描述電路時并不需要關(guān)心電路最終將采用哪種工藝實現(xiàn)，EDA工具可以將VHDL源代碼映射到不同的工藝庫上，提高了設(shè)計的可重用性。

VHDL語言還有共享與調(diào)用功能。利用VHDL設(shè)計的電路是文本格式的程序，易于保存與管理。4.3VHDL語言的數(shù)據(jù)類型作為一種硬件描述語言，VHDL與其它高級語言一樣，其信號、變量、常量都要指定數(shù)據(jù)類型。VHDL提供了多種標準的數(shù)據(jù)類型，還可以由用戶自定義數(shù)據(jù)類型。VHDL數(shù)據(jù)類型的定義相當嚴格，不同類型之間的數(shù)據(jù)不能直接代入，即使數(shù)據(jù)類型相同、長度不同也不能直接代入。4.3.1預(yù)定義(標準)數(shù)據(jù)類型

VHDL的預(yù)定義數(shù)據(jù)類型都是在VHDL標準的程序包STANDARD中定義的，在實際使用時，會自動包含到VHDL的源程序中，因此不必通過USE語句進行調(diào)用。

1．位(BIT)與位矢量(BIT_VECTOR)數(shù)據(jù)類型

在數(shù)字系統(tǒng)中，信號通常用一個位來表示，取值只能是“1”或“0”。如果一個量一次可取多個位值，則在VHDL語言中把它定義為位矢量。位矢量其實是基于BIT數(shù)據(jù)類型的數(shù)組。使用位矢量必須注明位長，即數(shù)組中元素的個數(shù)和排列情況。

【例4-1】SIGNAL

a：BIT_VECTOR(7DOWNTO0);

說明：信號a被定義為一個8位位長的矢量，其最左邊是a(7)，最右邊是a(0)。

【例4-2】SIGNAL

a：BIT_VECTOR(0TO7);

說明：信號a被定義為一個8位位長的矢量，其最左邊是a(0)，最右邊是a(7)。

位與位矢量可以按位進行訪問，也可以進行邏輯運算。

2．整數(shù)(INTEGER)數(shù)據(jù)類型

整數(shù)數(shù)據(jù)類型與算術(shù)中的整數(shù)定義相同，其取值范圍為

-(231-1)～+(231-1)，可以進行加、減、乘、除等算術(shù)運算。整數(shù)的取值范圍比較大，而VHDL語言是硬件描述語言，為了確定整數(shù)的存儲空間，VHDL綜合器要求用RANGE為所定義的整數(shù)限定范圍，然后根據(jù)所限定的范圍來決定表示此信號或變量的二進制數(shù)的位數(shù)。

【例4-3】SIGNAL

abus:INTEGERRANGE0TO15;

說明：abus是一個整數(shù)，其取值為0～15。

在應(yīng)用時整數(shù)不能按位訪問，并且對整數(shù)也不能用邏輯操作符。如果需要進行邏輯操作或按位訪問操作，則可以運用類型轉(zhuǎn)換函數(shù)將整數(shù)轉(zhuǎn)換成BIT_VECTOR類型的數(shù)后再進行操作。綜合器對abus綜合時可用4位二進制數(shù)來表示，因此，abus將被綜合成由4條信號線構(gòu)成的信號。

整數(shù)常量的書寫方式見例4-4。

【例4-4】?3(十進制整數(shù))，10E4(十進制整數(shù))，16#D2#(十六進制整數(shù))，2#11011010#(二進制整數(shù))。

3．布爾(BOOLEAN)數(shù)據(jù)類型

布爾數(shù)據(jù)類型只有“真”和“假”兩個狀態(tài)。布爾數(shù)據(jù)類型沒有數(shù)值含義，不能進行算術(shù)運算，但可以進行關(guān)系運算，可以在IF語句中被測試，產(chǎn)生一個布爾量。如果有一個布爾類型的信號名為BE，對其進行賦值：BE<=(5>2)(“<=”為信號賦值語句)，則BE的值為TRUE；如果為BE<=(5<2)，則值為FALSE。綜合器對布爾類型的數(shù)值進行綜合時，將其變?yōu)?或0信號值，對應(yīng)于硬件系統(tǒng)中的一根連線。

4．字符(CHARACTER)與字符串(STRING)數(shù)據(jù)類型

字符類型通常用單引號引起來，如'A'。一般情況下，VHDL語言對于字母的大小寫不敏感，但是對于字符量中的大小寫字符卻認為是不一樣的。字符串數(shù)據(jù)類型是字符數(shù)據(jù)類型的一個非約束型數(shù)組，或稱為字符串數(shù)組。字符串必須用雙引號標明。

【例4-5】

SINGAL

STRING_VAR：STRING(1TO7);

…

STRING<="abcd";?_?_空格也作為一個字符

5．實數(shù)(REAL)數(shù)據(jù)類型

在進行算法研究或?qū)嶒灂r，作為對硬件方案的抽象手段，常常用到實數(shù)的四則運算。通常情況下，實數(shù)僅能在VHDL仿真中使用，實數(shù)的取值范圍為-1.0E38～+1.0E38。

實數(shù)常量的書寫方式見例4-6。

【例4-6】65971.333333(十進制浮點數(shù))，8#43.6#E+4(八進制浮點數(shù))，43.6E-4(十進制浮點數(shù))。

6．時間(TIME)數(shù)據(jù)類型

VHDL中唯一預(yù)定義的物理類型是時間。完整的時間類型包括整數(shù)和物理量單位兩部分，整數(shù)和單位之間至少留一個空格，如50ms、30ns。時間類型僅在仿真中使用，使模型系統(tǒng)更逼近實際系統(tǒng)的運行情況。

STANDARD程序包中也定義了時間，參見例4-7。

【例4-7】

TYPETIMEISRANGE-2147483647TO2147483647;

UNITS

fs: --飛秒，VHDL中最小的時間單位

ps=1000fs; --皮秒

ns=1000ps; --納秒

us=1000ns; --微秒

ms=1000us; --毫秒

sec=1000ms; --秒

min=60sec; --分

hr=60min; --時

ENDUNTIS;

7．自然數(shù)(NATURAL)和正整數(shù)(POSITIVE)數(shù)據(jù)類型

自然數(shù)是整數(shù)的一個子類型，是非負的整數(shù)，包括零和正整數(shù)。正整數(shù)也是一個子類型，它包括整數(shù)中非零和非負的數(shù)值。自然數(shù)和正整數(shù)在STANDARD程序包中定義的源代碼見例4-8。

【例4-8】

SUBTYPENATURALISINTEGERRANGE0TOINTEGER‘HIGH;

SUBTYPEPOSITIVEISINTEGERRANGE1TOINTEGER'HIGH；

8．錯誤等級(SEVERITY

LEVEL)

在VHDL仿真器中，錯誤等級用來指示設(shè)計系統(tǒng)的工作狀態(tài)，共有4種可能的狀態(tài)值：NOTE(注意)、WARNING(警告)、ERROR(錯誤)、FAILURE(失敗)。在仿真過程中，可輸出這4種值來提示被仿真系統(tǒng)當前的工作情況。4.3.2IEEE預(yù)定義標準邏輯位與矢量

1．標準邏輯位STD_LOGIC數(shù)據(jù)類型

在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，信號值通常用一個位(BIT)來表示，事實上用BIT數(shù)據(jù)類型去描述信號狀態(tài)是不夠的，數(shù)字系統(tǒng)中狀態(tài)的取值還有高阻、不定值等。為了更好地描述數(shù)字系統(tǒng)，在IEEE庫的包集合STD_LOGIC和STD_LOGIC_1164中有如下的定義：

TYPE

std_logicIS(‘U’,‘X’,‘1’,‘0’,‘Z’,‘W’,‘L’,‘H’,‘-’);

表示std_logic數(shù)值類型具有9種不同的值：U(未初始化的)、X(強未知的)、0(強0)、1(強1)、Z(高阻態(tài))、W(弱未知的)、L(弱0)、H(弱1)、-(忽略)。把STD_LOGIC稱為標準的邏輯位，其對應(yīng)的矢量稱為標準邏輯位矢量。在IEEE庫的程序包STD_LOGIC_1164中，定義了兩個非常重要的數(shù)據(jù)類型，即標準邏輯位STD_LOGIC和標準邏輯矢量STD_LOGIC_?VECTOR。在仿真和綜合中，STD_LOGIC值是非常重要的，它可以使設(shè)計者精確模擬一些未知和高阻態(tài)的線路情況。對于綜合器，高阻態(tài)和忽略態(tài)可用于三態(tài)的描述。但就綜合而言，STD_LOGIC型數(shù)據(jù)能夠在數(shù)字器件中實現(xiàn)的只有其中4種值，即“-”、“0”、“1”和“Z”。當然，這并不表明其余的5種值不存在。這9種值對于VHDL的行為仿真都有重要意義。

2．標準邏輯矢量(STD_LOGIC_VECTOR)數(shù)據(jù)類型

STD_LOGIC_VECTOR類型定義如下：

TPYESTD_LOGIC_VECTORISARRAY(NATURALRANGE<>)OFSTD_LOGIC;

顯然，STD_LOGIC_VECTOR是定義在STD_LOGIC_1164程序包中的標準一維數(shù)組，數(shù)組中的每一個元素的數(shù)據(jù)都是以上定義的標準邏輯位STD_LOGIC。

STD_LOGIC_VECTOR數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象賦值的原則是：同位寬、同數(shù)據(jù)類型的矢量間才能進行賦值。例4-9描述的是CPU中數(shù)據(jù)總線上位矢量賦值的操作，注意例中信號數(shù)據(jù)類型定義和賦值操作中信號的數(shù)組位寬。描述總線信號，使用STD_LOGIC_VECTOR是方便的，但需注意的是總線中的每一個信號都必須定義為同一種STD_LOGIC數(shù)據(jù)類型。

3.其它預(yù)定義標準數(shù)據(jù)類型

VHDL綜合工具配備的擴展程序包中，還定義了一些有用的數(shù)據(jù)類型，如Synopsys公司在IEEE庫中加入的程序包STD_LOGIC_ARITH中定義了無符號型(UNSIGNED)、有符號型(SIGNED)、小整型(SMALL_INT)數(shù)據(jù)：

TYPE

UNSIGNED

IS

ARRAY(NATURAL

RANGE<>)OF

STD_LOGIC；

TYPE

SIGNED

IS

ARRAY(NATURAL

RANGE<>)OF

STD_LOGIC；

SUBTYPE

SMAIL_INT

IS

INTEGER

RANGE

0TO1；如果將信號或變量定義為這三種數(shù)據(jù)類型，就可以使用程序包STD_LOGIC_ARITH中定義的運算符。在使用之前，請注意必須加入下面的語句：

LIBRARYIEEE；

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

UNSIGNED類型和SIGNED類型是用來設(shè)計可綜合的數(shù)學運算程序的重要類型，UNSIGNED用于無符號數(shù)的運算。在實際運用中，多數(shù)運算都需要用到它們。在IEEE程序包中，NUMERIC_STD和NUMERIC_BIT程序包中也定義了UNSIGNED及SIGNED數(shù)據(jù)類型，NUMERIC_STD是針對于STD_LOGIC型定義的，而NUMERIC_BIT是針對于BIT型定義的。此外，程序包中還定義了相應(yīng)的運算符重載函數(shù)。有些綜合器沒有附帶STD_LOGIC_ARITH程序包，此時只能使用NUMERIC_STD和NUMERIC_BIT程序包。

在STANDARD程序包中沒有定義STD_LOGIC_VECTOR的運算符，而整數(shù)類型一般只在仿真的時候用來描述算法，因此UNSIGNED和SIGNED的使用率是很高的。

(1)無符號數(shù)據(jù)類型(UNSIGNEDTYPE)。UNSIGNED數(shù)據(jù)類型代表一個無符號的數(shù)值,在綜合器中，這個數(shù)值被解釋為一個二進制數(shù),這個二進制數(shù)最左邊是其最高位。例如，十進制的8可以表示如下：

UNSIGNED(“1000”)

如果要定義一個變量或信號的數(shù)據(jù)類型為UNSIGNED，則其位矢量長度越長，所能代表的數(shù)值就越大。不能用UNSIGNED定義負數(shù)。以下是兩則無符號數(shù)據(jù)定義的示例：

【例4-10】

VARIABLEVAR：UNSIGNED(0TO10)；

SIGNALSIG：UNSIGNED(5DOWNTO0)；

其中，變量VAR有11位數(shù)值，最高位是VAR(0)，而非VAR(10)；信號SIG有6位數(shù)值，最高位是SIG(5)。

(2)有符號數(shù)據(jù)類型(SIGNEDTYPE)。SIGNED數(shù)據(jù)類型代表一個無符號的數(shù)值，綜合器將其解釋為補碼,此數(shù)的最高位是符號位。例如：SIGNED(“1011”)代表+5，SIGNED(“1101”)代表-5。

若將例4-10中的VAR定義為SIGNED數(shù)據(jù)類型，則數(shù)值意義就不同了。如：

VARIABLE

VAR：SIGNED(0

TO10)：

其中，變量VAR有11位，最左位VAR(0)是符號位。4.3.3用戶定義的數(shù)據(jù)類型

VHDL允許用戶自定義新的數(shù)據(jù)類型，如枚舉類型(ENUMERATIONTYPE)、整數(shù)類型(INTEGERTYPE)、數(shù)組類型(ARRAYTYPE)、記錄類型(RECORDTYPE)、時間類型(TIMETYPE)、實數(shù)類型(REALTYPE)等。用戶自定義數(shù)據(jù)是用類型定義語句TYPE和子類型定義語句SUBTYPE實現(xiàn)的，以下將介紹這兩種語句的使用方法。

1．TYPE語句

TYPE語句的語法結(jié)構(gòu)如下：

TYPE數(shù)據(jù)類型名IS數(shù)據(jù)類型定義[OF基本數(shù)據(jù)類型];

其中，數(shù)據(jù)類型名由設(shè)計者自定；數(shù)據(jù)類型定義部分用來描述定義數(shù)據(jù)類型的表達方式和表達內(nèi)容；關(guān)鍵詞OF后的基本數(shù)據(jù)類型是指數(shù)據(jù)類型定義的元素的基本數(shù)據(jù)類型，一般都是取已有的預(yù)定義數(shù)據(jù)類型，如BIT、STD_LOGIC或INTEGER等。例如：

TYPE

ST1

IS

ARRAY(0TO15)OF

STD_LOGIC；

該句定義的數(shù)據(jù)ST1是一個具有16個元素的數(shù)組型數(shù)據(jù)，數(shù)組中的每一個元素的數(shù)據(jù)類型都是STD_LOGIC型。在VHDL中，任一數(shù)據(jù)對象(SIGNAL、VARIABLE、CONSTANT)都必須歸屬某一數(shù)據(jù)類型，只有同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象才能進行相互作用。利用TYPE語句可以完成各種形式的自定義數(shù)據(jù)類型以供不同類型的數(shù)據(jù)對象間的相互作用和計算。

2．SUBTYPE語句

子類型SUBTYPE只是由TYPE所定義的原數(shù)據(jù)類型的一個子集，它滿足原始數(shù)據(jù)類型的所有約束條件，原數(shù)據(jù)類型稱為基本數(shù)據(jù)類型。子類型SUPTYPE的語句格式如下：

SUBTYPE子類型名IS基本數(shù)據(jù)類型RANGE約束范圍；

子類型的定義只在基本數(shù)據(jù)類型上作一些約束，并沒有定義新的數(shù)據(jù)類型。子類型定義中的基本數(shù)據(jù)類型必須是已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)類型。

【例4-11】SUBTYPE

DIGITS

ISINTEGER

RANGE

0TO9;

其中，INTEGER是標準程序包中已定義過的數(shù)據(jù)類型，子類型DIGITS只是把INTEGER約束為只含10個值。

由于子類型與其基本數(shù)據(jù)類型屬同一數(shù)據(jù)類型，因此屬于子類型的和屬于基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象間的賦值和被賦值可以直接進行，不必進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

利用子類型定義數(shù)據(jù)對象，可以提高程序的可讀性和易處理性，還有利于提高綜合的優(yōu)化效率，這是因為綜合器可以根據(jù)子類型所設(shè)的約束范圍，有效地推知參與綜合的寄存器最合適的數(shù)目。

3．枚舉類型

枚舉類型是TYPE的特殊用法，VHDL中的枚舉數(shù)據(jù)類型用文字符號來表示一組實際的二進制的類型(若直接用數(shù)值來定義，則必須使用單引號)。例如狀態(tài)機的每一狀態(tài)在實際電路中雖然是以一組觸發(fā)器的當前二進制數(shù)位的組合來表示的，但設(shè)計者在狀態(tài)機的設(shè)計中，為了便于閱讀和編譯，往往將表征每一狀態(tài)的二進制數(shù)組用文字符號來表示。

【例4-12】

TYPE

M_STATE

IS(STATE1，STATE2，STATE3，STATE4，STATE5)；

SIGNAL

CURRENT_STATE，NEXT_STATE：M_STATE；

TYPEWEEKIS(SUN,MON,TUE,WED,THU,FRI,SAT);

在這里，信號CURRENT_STATE和NEXT_STATE的數(shù)據(jù)類型定義為M_STATE，它們的取值范圍是可枚舉的，即從STATE1～STATE5共5種，代表5組惟一的二進制數(shù)值?！癢EEK”也是一個枚舉類型，定義了7種取值，表示周日至周六。在綜合過程中，枚舉類型文字元素的編碼通常是自動的，編碼順序是默認的，一般將第一個枚舉量(最左邊的量)編碼為0，以后的依次加1。綜合器在編碼過程中自動將第一枚舉元素轉(zhuǎn)變成位矢量，位矢量的長度取所需表達的所有枚舉元素的最小值。如例4-12中設(shè)用于表達5個狀態(tài)的矢位長度為3，編碼默認值如下：

STATE1＝‘000’；STATE2＝‘001’；STATE3＝‘010’；STATE4＝‘011’；STATE5=‘100’它們的數(shù)值順序為STATE1＜STATE2＜STATE3＜STATE4＜STATE5。一般而言，編碼方法因綜合器不同而不同。

為了某些特殊的需要，編碼順序也可以人為設(shè)置。

4．整數(shù)自定義類型和實數(shù)自定義類型

整數(shù)和實數(shù)的數(shù)據(jù)類型在標準的程序包中已作定義，但在實際應(yīng)用中，特別在綜合中，由于這兩種非枚舉數(shù)據(jù)類型的取值定義范圍太大，綜合器無法進行綜合，因而定義為整數(shù)或?qū)崝?shù)的數(shù)據(jù)對象的具體數(shù)據(jù)類型必須由用戶根據(jù)實際需要重新定義，并限定其取值范圍，以便能為綜合器所接受，從而提高芯片資源的利用率。這種定義其實也是SUBTYPE的特殊用法。實際應(yīng)用中，VHDL仿真器通常將整數(shù)或?qū)崝?shù)類型的數(shù)據(jù)作為有用符號數(shù)處理。VHDL綜合器對整數(shù)或?qū)崝?shù)的編碼方法是：

(1)對用戶已定義的數(shù)據(jù)和子類型中的負數(shù)，編碼為二進制補碼；

(2)對用戶已定義的數(shù)據(jù)和子類型中的正數(shù)，編碼為二進制原碼。

編碼的位數(shù)即綜合后信號線的數(shù)目只取決于用戶定義的數(shù)值的最大值。在綜合中，以浮點數(shù)表示的實數(shù)將首先轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)值大小的整數(shù)。因此在使用整數(shù)時，VHDL綜合器要求使用數(shù)值限定關(guān)鍵詞RANGE，對整數(shù)的使用范圍作明確的限制。

5．數(shù)組類型

數(shù)組類型屬復合型數(shù)據(jù)類型，是指將一組具有相同數(shù)據(jù)類型的元素集合在一起，作為一個數(shù)據(jù)對象來處理。數(shù)組可以是一維(每個元素只有一個下標)數(shù)組或多維數(shù)組(每個元素有多個下標)。VHDL仿真器支持多維數(shù)組，但綜合器只支持一維數(shù)組。

數(shù)組的元素可以是任何一種數(shù)據(jù)類型，用以定義數(shù)組元素下標范圍的子句決定了數(shù)組中元素的個數(shù)以及元素的排序方向，如子句“0TO7”是由低到高排序的8個元素，“15DOWNTO0”是由高到低排序的16個元素。

VHDL允許定義兩種不同類型的數(shù)組，即限定性數(shù)組和非限定性數(shù)組。它們的區(qū)別是，限定性數(shù)組下標的取值范圍在數(shù)組定義時就被確認了，而非限定性數(shù)組下標的取值范圍需留待隨后根據(jù)具體數(shù)據(jù)對象再確定。

(1)限定性數(shù)組的定義語句格式如下：

TYPE數(shù)組名ISARRAY(數(shù)組范圍)OF數(shù)據(jù)類型；

其中，數(shù)組名是新定義的限定性數(shù)組類型的名稱，可以是任何標識符，其類型與數(shù)組元素相同；數(shù)組范圍明確指出數(shù)組元素的數(shù)量和排序方式，以整數(shù)來表示其下標；數(shù)據(jù)類型即指數(shù)組各元素的數(shù)據(jù)類型。

【例4-14】?TYPE

STB

IS

ARRAY(7DOWNTO0)?OF

STD_LOGIC；

這個數(shù)組類型的名稱是STB，它有8個元素，其下標排序為7～0，各元素的排序是STB(7)～STB(0)。

(2)非限定性數(shù)組的定義語句格式如下:

TYPE數(shù)組名ISARRAY(數(shù)組下標名RANCE<>)OF數(shù)據(jù)類型;

其中，數(shù)組名是定義的非限定性數(shù)組類型的名稱；數(shù)組下標名是以整數(shù)類型設(shè)定的一個數(shù)組下標名稱；符號“<>”是下標范圍待定符號，用到該數(shù)組類型時，再填入具體的數(shù)值范圍；數(shù)據(jù)類型是數(shù)組中每一元素的數(shù)據(jù)類型。比如STD_LOGIC_VECTOR的定義語句為“TPYESTD_LOGIC_VECTORISARRAY(NATURALRANGE<>)OFSTD_LOGIC”，這其實也是非限定性數(shù)組的定義語句。

6．記錄類型

由已定義的、數(shù)據(jù)類型不同的對象元素構(gòu)成的數(shù)組稱為記錄類型的對象。定義記錄類型的語句格式如下：

TYPE記錄類型名ISRECORD

元素名：元素數(shù)據(jù)類型；

元素名：元素數(shù)據(jù)類型；

…

END

RECORD[記錄類型名]；對記錄類型的數(shù)據(jù)對象進行賦值，可以整體賦值，也可以對其中的單個元素進行賦值。在使用整體賦值方式時，有位置關(guān)聯(lián)方式和名字關(guān)聯(lián)方式兩種表達方式。如果使用位置關(guān)聯(lián)方式，則默認為元素賦值的順序與記錄類型聲明的順序相同。如果使用了OTHERS選項，則至少應(yīng)有一個元素被賦值；如果有兩個或更多的元素由OTHERS選項來賦值，則這些元素必須具有相同的類型。此外，如果有兩個或兩個以上的元素具有相同的元素和相同的子類型，就可以將其以記錄類型的方式放在一起定義。本例中定義的記錄OPERATION共有五個元素：一個是加法指令碼的字符串OPSTR，一個是4位操作碼OPCODE，另三個是枚舉型數(shù)據(jù)OP1、OP2、RES(其中OP1和OP2是操作數(shù)，RES是目標碼)。例中定義的變量INSTR1的數(shù)據(jù)類型是記錄型OPERATION，它的第一個元素是加法指令字符串“ADD，AXBX”；第二個元素是此指令的4位命令代碼“0001”；第三、第四個元素為AX和BX；AX和BX相加后的結(jié)果送入第五個元素AX，因此這里的AX是目標碼。語句“INSTR3，OPSTR?:?=”MULAX，BX“;”賦給INSTR3中的元素OPSTR。一般來說，對于記錄類型的數(shù)據(jù)對象進行賦值時，就在記錄類型對象名后加“.”，再加賦值元素的名稱。

若記錄類型中的每一個元素僅為標量型數(shù)據(jù)類型，則稱為線性記錄類型，否則為非線性記錄類型。只有線性記錄類型的數(shù)據(jù)對象都是可綜合的。

7．數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

VHDL是一種強類型語言，因此不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象在相互操作時，需要進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

(1)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)方式。類型轉(zhuǎn)換函數(shù)的作用就是將一種屬于某種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象轉(zhuǎn)換成屬于另一種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對象。此例中利用了DATAIO庫中的程序包STD_LOGIC_OPS中的兩個數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù):TO_VECTOR(將INTEGER轉(zhuǎn)換成STD_LOGIC_VECTOR)和TO_INTEGER(將STD_LOGIC_VECTOR轉(zhuǎn)換成INTEGER)。通過這兩個轉(zhuǎn)換函數(shù)，就可以使用“+”運算符進行直接加1操作了，同時又能保證最后的加法結(jié)果是STD_LOGIC_VECTOR數(shù)據(jù)類型。

利用類型轉(zhuǎn)換函數(shù)來進行類型轉(zhuǎn)換需定義一個函數(shù)，使其參數(shù)類型為被轉(zhuǎn)換的類型，返回值為轉(zhuǎn)換后的類型。在實際運用中經(jīng)常使用類型轉(zhuǎn)換函數(shù)，VHDL的標準程序包中提供了一些常用的轉(zhuǎn)換函數(shù)，見表4-1。

(2)直接類型轉(zhuǎn)換方式。直接類型轉(zhuǎn)換的一般語句格式是：

數(shù)據(jù)類型標識符(表達式)

一般情況下，直接類型轉(zhuǎn)換僅限于非常關(guān)聯(lián)(數(shù)據(jù)類型相互間的關(guān)聯(lián)性非常大)的數(shù)據(jù)類型之間，且必須遵守以下規(guī)則：

①所有的抽象數(shù)字類型是非常關(guān)聯(lián)的類型(如整型、浮點型)，如果浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)，則轉(zhuǎn)換結(jié)果是最近的一個整型數(shù)。

②如果兩個數(shù)組有相同的維數(shù)，兩個數(shù)組的元素是同一類型，并且在各處的下標范圍內(nèi)索引是同一類型或非常接近的類型，那么這兩個數(shù)組是非常關(guān)聯(lián)類型。③枚舉型不能被轉(zhuǎn)換。

如果類型標識符所指的是非限定數(shù)組，則結(jié)果會將被轉(zhuǎn)換的數(shù)組的下標范圍去掉，即成為非限定數(shù)組。如果類型標識符所指的是限定性數(shù)組，則轉(zhuǎn)換后的數(shù)組的下標范圍與類型標識符所指的下標范圍相同。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，數(shù)組中元素的值等價于原數(shù)組中的元素值。

【例4-18】

VARIABLEDATAC，PARAMC：INTEGERRANGE0TO255

…

DATAC:=INTEGER(74.94*REAL(PARAMC));4.4VHDL的數(shù)據(jù)對象在VHDL語言中，數(shù)據(jù)對象(DataObjects)也叫做VHDL語言的客體，它類似于一種容器，接收不同數(shù)據(jù)類型的賦值。VHDL語言是一種硬件描述語言，它描述硬件電路的工作情況。硬件電路的工作過程實際上是信號變化及傳輸?shù)倪^程，所以VHDL語言的基本數(shù)據(jù)對象就是信號(SIGNAL)。除了信號外，VHDL語言還有三種數(shù)據(jù)對象，分別為常量(CONSTANT)、變量(VARIABLE)和文件(FILE)。在電子電路中，這四類數(shù)據(jù)對象都具有一定的含義。信號對應(yīng)地代表物理設(shè)計中的一條硬件連線；常量代表數(shù)字電路中的電源和地等；變量一般用來表示進行數(shù)據(jù)暫時存儲的載體；文件是傳輸大量數(shù)據(jù)的一種特殊的數(shù)據(jù)對象，這是在VHDL93標準中新通過的，它在TEXTIO描述語句中詳細說明。4.4.1常量

常量是指在VHDL程序中一經(jīng)定義后就不再發(fā)生變化的值，它可以在很多區(qū)域中進行說明。在編寫VHDL程序的過程中，設(shè)計人員經(jīng)常把在VHDL程序中多處使用的數(shù)值設(shè)計為一個常量，以后如果需要修改這個數(shù)值，僅修改這個常量就可以了。常量在使用之前必須進行說明，其描述格式如下：

CONSTANT常量名[,常量名，…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][:=初始值];

其中，[]表示可選項。

【例4-19】

CONSTANT

fbus:BIT_VECTOR:=“010115”； --位矢量數(shù)據(jù)類型

CONSTANT

vcc:REAL:=5.0；

--實數(shù)數(shù)據(jù)類型

CONSTANT

delay:TIME:=15ns；

--時間數(shù)據(jù)類型常量定義說明語句所允許的設(shè)計單元有實體、結(jié)構(gòu)體、程序包、塊、進程和子程序等。常量在程序包中進行定義后，所有調(diào)用該程序包的VHDL程序都可以使用該常量，常量具有最大的全局化特征。在程序包中進行定義時，常量的數(shù)值在包首中可以先不進行定義，而把該數(shù)值在包體中進行定義，也可以在包首中定義完整的常量語句，具體應(yīng)用請參考程序包的章節(jié)。如果在實體中進行定義，則常量在該實體所對應(yīng)的所有結(jié)構(gòu)體中都有效；如果在結(jié)構(gòu)體中定義，則常量僅在該結(jié)構(gòu)體中有效；如果在進程與子程序中定義常量，則其僅在該進程與子程序中有效。4.4.2信號

信號是描述硬件系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)對象，它類似于硬件的連接線。信號可以作為設(shè)計實體中并行語句模塊間的信息交流通道。在多個進程、多個子程序之間及進程、子程序與外部設(shè)備間進行通信時要進行信號傳遞。信號通常在結(jié)構(gòu)體、程序包和實體中進行定義。信號具有全局量的性質(zhì)。信號定義的格式如下：

SIGNAL信號名[，信號名，…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][:=初始值];

【例4-20】

SIGNALa:INTEGERRANGE0TO15;

SIGNALflaga,flagb:BIT;

SIGNALdata:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0):=“11000110”;

在程序中給信號賦的初始值僅在仿真時有效，不能用于綜合，因為電路在上電后并不能保證它的初始狀態(tài)是什么。信號值的代入使用符號“<=”，信號代入時可以產(chǎn)生附加延時。

【例4-21】

a<=10;

flag<=‘1’;

data<=“10110110”AFTER10ns;

事實上，除了沒有方向說明以外，信號與實體的端口(PORT)概念是一致的。信號可以看成是實體內(nèi)部的端口，用于描述一部分電路與另一部分電路的信號連接情況。在VHDL程序中，實體中所定義的端口都可以作為信號來處理，但要注意它的方向。

信號的使用和定義范圍包括實體、結(jié)構(gòu)體和程序包。在進程和子程序中不允許定義信號。信號可以有多個驅(qū)動源，或者說賦值信號源。在進程中，只能將信號列入敏感表，而不能將變量列入敏感表，可見進程只對信號敏感，而對變量不敏感。

當信號定義了數(shù)據(jù)類型和表達方式后，在VHDL設(shè)計中就能對信號進行賦值了。信號的賦值語句表達式如下：

目標信號名<=表達式；

賦值語句的詳細用法見后續(xù)章節(jié)。4.4.3變量

變量(VARIABLE)是一個局部量，只能在進程、子程序中進行定義和使用，可以進行多次賦值。在仿真過程中，變量不像信號那樣到了規(guī)定的時間才能賦值，變量的賦值是立即生效的，所以變量賦值時不能附加延時語句。變量定義的格式如下：

VARIABLE變量名[，變量名，…]：數(shù)據(jù)類型[約束條件][:=初始值];

【例4-22】

VARIABLE

x,y:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);

VARIABLEcount:INTEGERRANGE0TO255:=10;

變量作為局部量，其適用范圍僅限于定義了變量的進程或子程序中。在仿真過程中變量的初始值僅在仿真時有效，綜合時將略去所有的初始值。變量賦值格式如下：

目標變量名:=表達式；變量數(shù)值的改變是通過變量賦值來實現(xiàn)的，賦值語句右方的表達式必須是一個與目標具有相同數(shù)據(jù)類型的數(shù)值，這個表達式可以是一個運算表達式，也可以是一個數(shù)值。通過賦值操作，變量的值立即改變。變量賦值語句左邊的目標變量可以是單值變量，也可以是一個變量的集合，即數(shù)組型變量。下面是一個變量賦值的例子，請注意變量賦值時數(shù)據(jù)類型的一致性。4.4.4信號與變量的區(qū)別

信號與變量是經(jīng)常使用的兩種數(shù)據(jù)對象，兩者有很大的區(qū)別，歸納起來主要有：

(1)賦值語句不同，信號賦值的符號為“<=”，而變量為“:=”。

(2)通常變量的值可以給信號賦值，但信號的值卻不能給變量賦值。

(3)信號是全局量，是一個實體內(nèi)各部分之間以及實體之間進行通信的載體；而變量是一個局部量，只允許定義并作用在進程和子程序中，如果要把變量的值從它定義的區(qū)間傳輸出去，必須先把該變量賦值給一個信號，通過信號把值傳輸出去。

(4)信號可以作為進程的敏感信號，但是變量卻不可以作為進程的敏感信號，讓進程啟動，至少要有一個敏感信號發(fā)生變化。

(5)操作過程不相同。在變量的賦值語句中，該語句一旦執(zhí)行，變量立刻被賦予新值，在執(zhí)行下一條語句時，該變量的值就用新賦的值參與運算；而在信號賦值語句中，該語句雖然已經(jīng)被執(zhí)行，但信號值并沒有立即改變，因此下一條語句執(zhí)行時，仍然使用原來的信號值。在結(jié)構(gòu)體的并行語句中，不允許信號被賦值一次以上。在進程中，若對同一個信號賦值超過兩次，則編譯將會給出警告，指出只有最后一次賦值有效。圖4-1例4-24仿真的波形圖4-2例4-24信號改為變量后仿真的波形4.5運?算?操?作?符在VHDL中共有4類運算操作符，即邏輯操作符(LogicalOperator)、關(guān)系操作符(RelationalOperator)、算術(shù)操作符(ArithmeticOperator)和并置操作符(ConcatenationOperator)，如表4-2所示。在VHDL語言中，操作數(shù)的類型應(yīng)該和操作符所要求的類型相一致，并且基本操作符間的操作數(shù)必須是同類型的。表4-2右欄已大致列出了各種操作符所要求的數(shù)據(jù)類型。操作符是有優(yōu)先級的，其優(yōu)先級如表4-3所示，在編程時要注意各操作符的優(yōu)先級，為了保險起見可多用括號。4.5.1邏輯操作符

由表4-3知，邏輯操作符可以對位、標準邏輯位和布爾類型的數(shù)據(jù)進行操作，要求運算符左右的數(shù)據(jù)類型必須相同。當一個語句中存在兩個以上的邏輯表達式時，在一般的高級語言中運算按自左至右的順序進行，而在VHDL語言中，如果邏輯關(guān)系不能確定，必須要加上括號確定各運算的優(yōu)先順序。

【例4-25】

x<=(aANDb)OR(NOTcANDd);

--NOT優(yōu)先級最高，所以在NOTc處可以不加括號

x<=bANDaANDdANDe;

--不會引起邏輯關(guān)系變化，可以不加括號

x<=bORcORdORe;

--不會引起邏輯關(guān)系變化，可以不加括號

x<=aXORdXORe;

--不會引起邏輯關(guān)系變化，可以不加括號

a<=(x1ANDx2)OR(y1ANDy2);

--不加括號會引起邏輯關(guān)系變化，一定要加括號4.5.2關(guān)系操作符

應(yīng)該注意小于等于(<=)和代入運算符(<=)的不同(從上下文區(qū)別)。兩個對象進行比較時，數(shù)據(jù)類型一定要相同。=(等于)和/=(不等于)適用于所有數(shù)據(jù)類型對象之間的比較；大于、小于、大于等于、小于等于適用于整數(shù)、實數(shù)、位矢量及數(shù)組類型的比較；兩個位矢量對象比較時，類型一定要一致，但長度可以不相同，在比較時，某些低版本的EDA工具的編譯器從最左的位開始，自左至右按位進行比較從而得出最終比較結(jié)果。上例中，a值為10，而b值為7，a應(yīng)該比b大，但是因為某些低版本的EDA工具的編譯器比較是自左至右進行的，最左邊的位都是'1'，所以比較次左邊的值時發(fā)現(xiàn)b對應(yīng)的位為'1'，而a對應(yīng)的位為'0'，所以最終得出a<b的結(jié)論。目前，大多數(shù)EDA工具的編譯器在比較不同長度的位矢量時，會自動在位數(shù)少的數(shù)據(jù)左邊補上零，從而使長度一致，得出正確的結(jié)果。4.5.3算術(shù)操作符

在算術(shù)運算符中，賦值語句兩邊的數(shù)據(jù)位長應(yīng)一致，否則編譯時將會出錯。比如在對STD_LOGIC_VECTOR進行加、減運算時，要求操作數(shù)兩邊的操作數(shù)和運算結(jié)果的位長相同，否則編譯時將會給出語法出錯信息。正常情況下，標準邏輯位是不允許進行算術(shù)運算的，但是在設(shè)計電路時經(jīng)常會對標準邏輯位矢量進行加、減運算，為了使設(shè)計變得方便快捷，為了方便各種不同數(shù)據(jù)類型間的運算，VHDL還允許用戶對原有的基本操作符重新定義，賦予新的含義和功能，從而建立一種新的操作符，即重載操作符(OverloadingOperator)。定義這種重載操作符的函數(shù)稱為重載函數(shù)。事實上，在程序包STD_LOGIC_UNSIGNED中已定義了多種可供不同數(shù)據(jù)類型間操作的算符重載函數(shù)，其中STD_LOGIC_SIGNED包集合定義了有符號數(shù)的操作符，而程序包STD_LOGIC_UNSIGNED包集合定義了無符號數(shù)的操作符。

Synopsys的程序包STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_UNSIGNED和STD_LOGIC_SIGNED中已經(jīng)為許多類型的運算重載了算術(shù)操作符和關(guān)系操作符，只要引用這些程序包，即可在SIGNED、UNSIGNED、STA_LOGIC和INTEGER之間進行混合運算，在INTEGER、STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR之間也可以進行混合運算。在算術(shù)操作符中，乘與除的數(shù)據(jù)類型是整數(shù)和實數(shù)(包括浮點數(shù))。在一定條件下還可對物理類型的數(shù)據(jù)對象進行運算操作。

雖然在一定條件下，乘法和除法運算是可以綜合的，但從優(yōu)化綜合、節(jié)省芯片資源的角度出發(fā)，最好不要輕易使用乘、除操作符，可以用其它變通的方法來實現(xiàn)乘、除運算。

操作符MOD和REM的本質(zhì)與除法操作符是一樣的，可綜合的取模和取余的操作數(shù)必須是以2為底數(shù)的冪。MOD和REM的操作數(shù)數(shù)據(jù)類型只能是整數(shù)，運算結(jié)果也是整數(shù)。符號操作符“+”和“-”的操作數(shù)只有一個，操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型是整數(shù)。操作符“+”對操作數(shù)不作任何改變；操作符“-”作用于操作數(shù)的返回值是對原操作數(shù)取負。在實際使用中，取負操作數(shù)需加括號，如Z=X*(-Y)。

VHDL規(guī)定，乘方操作符“**”和取絕對值操作符“ABS”的操作數(shù)數(shù)據(jù)類型一般為整數(shù)類型。乘方(**)運算的左邊可以是整數(shù)或浮點數(shù)，但右邊必須為整數(shù)，而且只有在左邊為浮點時其右邊才可以為負數(shù)。一般地，VHDL綜合器要求乘方操作符作用的操作數(shù)的底數(shù)必須是2。六種移位操作符號SLL、SRL、SLA、SRA、ROL和ROR都是VHDL93標準新增的運算符。VHDL93標準規(guī)定移位操作符作用的操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型應(yīng)是一組數(shù)組，并要求數(shù)組中的元素必須是BIT或BOOLEAN數(shù)據(jù)類型，移位的位數(shù)為整數(shù)。在EDA工具所附的程序包中重載了移位操作符以支持