VHDL基础1

Posted 2020-09-16 谢维开

Description Structure

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•  一个可综合的VHDL描述中一般由3部分组成：LIBRARY declarations、ENTITY、ARCHITECTURE
• Library（库）用来设计重用和代码共享，使代码结构更清晰

1 LIBRARY library_name;
2 USE library_name.package_name.package_parts;

• • 常用的三个Libray：ieee、std、work
  • 其中std、work是默认可见的，不需声明，ieee需要明确的声明
• Entity（实体）描述电路的输入/输出引脚
  

  ENTITY entity_name IS
         GENERIC(参数名:数据类型:=设定值
                     ...)；        
          PORT (port_name1: port_mode data_type;
                    port_name2: port_mode data_type;
                     ...);
  END entity_name;

  
• GENERIC类属性为可选，用来指定诸如数据总线宽度、延时时间等参数
• singal_mode 可以是 4 种类型：in  out  inout  buffer 
• OUT 模式无法回读到电路内部，Buffer 模式可以，但是 buffer 不能连接到其他类型的端口，即不能把该模块作为子模块例化，一般使用中间缓冲信号，解决回读问题。
• Architecture(结构体)描述电路的行为和实现的功能
  • Architecture 包含两个部分：声明部分和代码部分
  • 声明部分（可选）用来声明数据类型、常量、信号、子程序、元件等
  • 代码部分 （begin...end）描述电路行为

    1 ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS
    2      说明语句
    3 BEGIN
    4      功能描述语句
    5           ......
    6 END 结构体名;

     

•  注释用 -- 开始 
• VHDL不区分大小写

 

Data Types

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三种数据对象，声明信号 signal 

1 signal name : type [range] [:= initial_vaule];

还有 常量 constant 声明：

1 constant name : type := value;

还有 变量 variable 声明

1 variable name : type [range] [:= initial_vaule];

 Pre-defined Data Types

bit & bit_vector

• 用‘0‘、‘1‘赋值

1 signal x : bit;
2 signal y : bit_vector (3 DOWNTO 0);
3 
4 x<=‘1‘;
5 y<="0011"

std_logic & std_logic_vector

•  不同于bit类型，可取9种逻辑数据类型，但只有0、1、X、Z 可综合
• std_logic 是 std_ulogic的子集

Boolean

• 两种取值：true、false

TIME

1 CONSTANT t_delay:TIME:=30 ns

 

• 数值部分和单位之间有个空格 
• fs、ps、ns、us、ms、sec、min、hr   10³关系

integer

• 32位表示的整数 范围-(2³¹-1)~(2³¹-1)
• 其他进制整数先写进制数，再用#括起来16#1F#

real

• 小数表示、科学计数表示

character & string

• 使用字符串的可以是常量 和 变量

User-defined Data Types

 

1 --integer range
2 TYPE student IS RANGE 0 TO 100;
3 
4 --enumerated(枚举)
5 TYPE state IS (state0,state1,state2,state3);
6 
7 --Array
8 TYPE matrix IS ARRAY (0 TO 3) OF std_loogic_vector;

Port Array

有时在定义端口时，需要把端口定义为矢量阵列。但是在 Entity 中不允许使用 type 定义，所以我们必须自己定义包集 (package)，然后使用 use 声明使用该用户自定义的包集，最后才能在 Entity 中使用这种新定义的类型。

Data Conversion

• 在 VHDL 中，不同类型的数据是不能直接进行算术/逻辑运算的，所以必要时必须进行类型转换操作。

函数名称	函数功能
TO_STDLOGICVECTOR()	由BIT_VECTOR转为STD_LOGIC_VECTOR型
TO_BITVECTOR()	与上相反
TO_STDLOGIC()	由BIT型转为STD_LOGIC型
TO_BIT	与上相反
CONV_STD_LOGIC_VECTOR(a,位长)	由整型转为STD_LOGIC_VECTOR型
CONV_INTEGER()	与上相反

 

 

 

 

 

 

 

Operators 

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 VHDL 语法虽然枯燥无味，但是只有对数据类型、运算操作符及其属性有了深刻认识，才能写出高质量和高效率的代码。

 Opreators

• VHDL提供了6种预定义的预算符：

  • 赋值 assignment

  • 逻辑 logical

  • 算术 arithmetic

  • 关系 relational

  • 并置 concatenation

assignment

一共三种：

• <= 用于给 signal 对象赋值
• :=  用于给 variable, constant, 赋值
• => 用于给矢量（vector）对象的某些位赋值，常和 others 一起使用

logical

进行逻辑运算，操作数必须是 bit, std_logic, std_ulogic 类型或者他们的扩展，即 bit_vector, std_logic_vector, std_ulogic_vector 类型

• NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR

arithmetic

• 操作数是 signed,  integer, real，其中 real 类型是不可综合的
• +   -   *   /   **   MOD   REM   ABS

comparison

一共有6种：=   /=   >   <   >=   <=

concatenation

用于位的拼接。

• 操作数：任何支持逻辑运算的数据类型
• 操作符：&   (, , ,)

 

Concurrent Code

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HDL对应的是硬件电路，而硬件电路时刻工作，所以它的代码是并发执行的。只有process、function、procedure中的代码是顺序执行的，而这些模块作为共同整体时，它们之间也是并行的。

在并发代码中可以使用下列各项：

• 运算操作符
• when 语句(when/else 和 with/select/when)
• generate 语句
• block 语句

when

when/else syntax:

1 assignment WHEN condition ELSE
2 assignment WHEN condition ELSE
3 ...;

 

with/select/when syntax:

1 WITH 选择信号表达式 SELECT
2 assignment WHEN value,
3 assignment WHEN value,
4 ...;

generate


常和 for/if 一起使用，因为描述对象是电路，电路是固定的，功能也是静态的，所以一种用途是生成相同元件的多次实例化，第二种用途是生成结构相同的多次赋值、组合逻辑。两种用途目的都是减少代码量，增加可读性和可维护性

block

为了把较长的代码分成几个较小的区域，便于阅读和维护，在每个块内都能对局部信号、数据类型和常量定义

1 块标号:BLOCK[(块保护表达式)]
2       [说明部分]
3 BEGIN
4        并行语句
5 END BLOCK [块标号]；

 

Sequential Code

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VHDL 本质是并发执行的代码，但是在 process, function, procedure 内部的代码是顺序执行的，当它们作为一个整体时，相互之间也是并发执行的。

顺序代码并非只能与时序逻辑 (sequential logic) 对应，同样也可以用它们来实现组合逻辑 (combinational logic)。

这里主要讨论顺序代码，也就是这 3 个块中的代码，包括 if, wait, case, loop 语句。

process

在一个结构体中允许放置多个进程语句，这些进程也都是并行的，每个进程内部由一系列顺序语句构成

1 [进程标号:] PROCESS [敏感信号参数表] IS
2                  [进程说明部分]
3                       BEGIN
4                            顺序描述语句
5                    END PROCESS [进程标号]；

• 每当敏感信号参数表里的任何参数变化时，进程都被激活重新执行一遍
• 进程说明部分主要定义一些局部量如常量， 变量，子程序等，但这里不能定义信号
• 顺序描述语句是最重要的部分，常用顺序语句 if/case/loop

if

1 IF conditions THEN assignment;
2 ELSIF conditions THEN assignments;
3 ......
4 ELSE assignments;
5 END IF;

case

case 和 when 的区别在于，case 允许在每个测试条件下执行多个赋值操作，而 when 只能执行一个赋值操作。

1 CASE 表达式 IS
2         WHEN value => assignment;
3         WHEN value => assignment;
4         ...
5         WHEN OTHERS => assignments;
6 END CASE;

 

loop

常用格式有两种

loop

1 [loop标号:] LOOP
2      顺序语句;
3 END LOOP[loop 标号];

for/loop

1 [LOOP标号:] FOR 循环变量 IN 循环参数范围 LOOP
2         顺序语句;
3 END LOOP[LOOP 标号];

• 循环变量是一个临时局部变量，由LOOP语句自动定义

LOOP不能自己跳出循环，也不能自己跳到另一个循环，有时候需要加入其它控制语句

1 [标识:] EXIT [LOOP 标识] [WHEN condition];
2 
3 [标识:] NEXT [另一个LOOP 标识] [WHEN condition];

 

/*****注释*****/

*一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程中，其执行时间在客观上互相重叠