8.VHDL语言基础(六)
VHDL入门教程
VHDL入门教程VHDL（Very High-speed Integrated Circuit HardwareDescription Language）是一种用于设计数字电路的硬件描述语言。
它是IEEE 1076标准中规定的一种语言，广泛应用于数字电路的设计、仿真和综合等领域。
本文将为大家介绍VHDL的基础知识和入门教程。
一、VHDL的基本概念1. 实体（Entity）：VHDL代码的最高层次，用于定义模块的输入、输出和内部信号。
2. 架构（Architecture）：定义了实体中的各个信号和组合逻辑的行为。
3. 信号（Signal）：表示数据在电路中的传输和操作。
4. 进程（Process）：定义了组合逻辑的行为，用于描述信号之间的关系。
5. 实体声明（Entity Declaration）：用于描述模块的名称、输入、输出和内部信号。
6. 架构声明（Architecture Declaration）：用于描述模块的内部逻辑。
二、VHDL的基本语法1.实体声明语法：```entity entity_name isport ( port_list );end entity_name;```其中，entity_name是实体的名称，port_list是实体的输入、输出和内部信号。
2.架构声明语法：```architecture architecture_name of entity_name issignal signal_list;beginprocess (sensitivity_list)begin--逻辑行为描述end process;end architecture_name;```其中，architecture_name是架构的名称，entity_name是实体的名称，signal_list是架构的内部信号，sensitivity_list是触发事件的信号列表。
三、VHDL的基本例子下面以一个简单的4位加法器为例介绍VHDL的编写和仿真流程。
第四讲VHDL语言基础知识
关键词 VHDL 实体 逻辑功能
此两处必须同名
逻辑行为描述
1、实体
格式
ENTITY 实体名 IS [GENERIC ( 类属表 );] [PORT ( 端口表 );] END 实体名;
说明
实体说明所设计的逻辑电路的输入、输 出信号及其特性（输入(in)输出(out)、双向 (inout)、buffer）
•文件（FILES）是传输大量数据的客体，包含一些专门数据 类型的数值。
对象说明的一般格式是： <对象类型> < 标识符表>：<子类型说明> <信号种类>： =<表达式>; 说明 标识符 <子类型说明>是类型名或类型名加限制条件 <信号种类>为BUS或REGISTER，该项为任选项 ：=<表达式>为对象赋初值
IS
一个包集合由包集合标题和包集合体两 大部分组成。 包集合体是一个可选项。
5、库
格式
LIBRARY 库名； USE 库名. 程序包名. All；
USE语句的使用有两种常用格式： USE 库名.程序包名.项目名 ； USE 库名.程序包名.ALL ；
VHDL库的种类
• IEEE库：IEEE标准库, 是按IEEE组织制定的 工业标准进行编写的， 是内容丰富的资源库 使用需声明 • •STD_LOGIC_1164 程序包 •STD_LOGIC_ARITH 程序包 •STD_LOGIC_UNSIGNED 程序包
STD库：VHDL标准库，STANDARD和 TEXTIO程序包即收入在STD库中 使用无需声明
VHDL库的种类
• • •
ASIC库：EDA厂商提供库 使用需声明 WORK库：现行作业库，当前工作目录的所有设计 使用无需声明 USER库：用户自定义库 使用需声明
VHDL语言基础
VHDL语⾔基础VHDL语⾔基础1 数据对象数据对象包括常量、变量、信号和⽂件四种类型1.1 常量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声明语句中指明--定义常量语句：--Constant 常数名:数据类型:=表达式Constant Vcc:real:=5.2; --指定Vcc的数据类型是实数，赋值为5.0VConstant 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必须加以说明。
定义程序包内的常量课提供所包含的任何实体、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，定义在进程说明内的常量只能在该实体内可见，定义在进程说明区域中的常量只能在该进程内可见1.2 变量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。
变量不能表达“连线”或储存原件，不能设置传输延迟量--定义变量语句--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10.0Y:=1.5+x; --运算表达式赋值，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1.3 信号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，初始值为0Signal 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的值赋给z2 数据类型2.1 VHDL的预定义数据类型类型定义说明布尔(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位(Bit)TYPE BIT IS ('0','1');取值为0和1，⽤于逻辑运算位⽮量(Bit_Vector)TYPE BIT_VECTOR IS ARRAY(Natural range<>)OF BIT;基于Bit类型的数组，⽤于逻辑运算字符(Character)TYPE CHARACTER IS (NUL,SOH,STX,...,'','!',...);通常⽤''引号引起来，区分⼤⼩写字符串(String)VARIABLE string_var:STRING(1 TO 7);string_var:="A B C D";通常⽤""引起来，区分⼤⼩写整数(Integer)variable a:integer range -63 to 63取值范围 -(231 -1)~(231-1)要求⽤RANGE⼦句为所定义的数限定范围，以便根据范围决定此信号或变量的⼆进制位数实数(Real)-取值范围-1.0E38~+1.0E38，仅可⽤于仿真不可综合时间(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，仅可⽤于仿真不可综合时间(Time)-开，仅可⽤于仿真不可综合错误等级(SeverityLevel)TYPE severity_level IS (NOTE、WARNING、ERROR、FAILURE);表⽰系统状态，仅可⽤于仿真不可⽤于综合类型定义说明2.2 IEEE预定义标准逻辑位与⽮量标准逻辑类型对数字逻辑电路的逻辑特性描述更加完整、真实，因此在VHDL程序中，对逻辑信号的定义通常采⽤标准逻辑类型标准逻辑位(Std_Logic)符号说明'U'Undefined(未初始化)'X'Forcing Unknown(强未知)'0'Forcing 0(强0)'1'Forcing 1(强1)'Z'High Impedance(⾼阻)'W'Weak Unknown(弱未知)'L'Weak 0(弱0)'H'Weak 1(弱1)'-'Don't Care(忽略)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。
VHDL语言的基本知识点罗列
VHDL语言的基本知识点罗列1 VHDL语言的标识符VHDL中的标识符可以是常数、变量、信号、端口、子程序或参数的名字。
使用标识符要遵守如下法则：a）标识符由字母（A…Z；a…z）、数字和下划线字符组成。
任何标识符必须以英文字母开头。
λ末字符不能为下划线。
λb）不允许出现两个连续下划线。
标识符中不区分大小写字母。
λVHDL定义的保留子或称关键字，不能用作标识符。
λc） VHDL中的注释由两个连续的短线（--）开始，直到行尾。
以下是非法标识符：-Decoder —起始不能为非英文字母3DOP —起始不能为数字Large#number —“#”不能成为标识符的构成符号Data__bus —不能有双下划线Copper_ —最后字符不能为下划线On —关键字不能用作标识符。
注：在AHDL语言中标识符要区分大小写，但在VHDL语言中不区分大小写。
所以写程序时，一定要养成良好的书写习惯，应用关键字时用大写，自己定义的标识符用小写。
标识符表示的几种数据对象的详细说明如下：1) 常数（Constant ）常数是一个固定的值，主要是为了使设计实体中的常数更容易阅读和修改。
常数一被赋值就不能在改变。
一般格式：CONSTANT 常数名：数据类型：=表达式；例：CONSTANT Vcc: REAL: =5.0;—设计实体的电源电压指定常数所赋得值应与定义的数据类型一致。
常量的使用范围取决于它被定义的位置。
程序包中定义的常量具有最大的全局化特性，可以用在调用此程序包的所有设计实体中；设计实体中某一结构体中定义的常量只能用于此结构体；结构体中某一单元定义的常量，如一个进程中，这个常量只能用在这一进程中。
2) 变量（Variable）变量是一个局部变量，它只能在进程语句、函数语句和进程语句结构中使用。
用作局部数据存储。
在仿真过程中。
它不像信号那样，到了规定的仿真时间才进行赋值，变量的赋值是立即生效的。
变量常用在实现某种算法的赋值语句中。
VHDL语言的基本语法
B：二进制基数符号，表示二进制数位0或1。 二进制基数符号，表示二进制数位0 O：八进制基数符号。 八进制基数符号。 X：十六进制基数符号(0～F) 。 十六进制基数符号(0～ (0 例如： 1_1101_1110 1_1101_1110” 例如：B“1_1101_1110 --二进制数数组，位矢数组长度是9 --二进制数数组，位矢数组长度是9 二进制数数组 AD0 X“AD0” AD --十六进制数数组，位矢数组长度是12 --十六进制数数组，位矢数组长度是12 十六进制数数组
4、下标名及下标段名 下标名用于指示数组型变量或信号的某一 下标名用于指示数组型变量或信号的某一 元素， 元素，如：a(2) , b(n) 下标段名则用于指示数组型变量或信号的 下标段名则用于指示数组型变量或信号的 某一段元素，其语句格式如下： 某一段元素，其语句格式如下：
数组类型信号名或变量名(表达式 表达式2])； 数组类型信号名或变量名 表达式1 [TO/DOWNTO 表达式 ； 表达式
信号的使用和定义范围是实体、结构体和程序包 信号的使用和定义范围是实体、结构体和程序包.
在程序中: 在程序中 (1) 信号值的代入采用“<=”代入符，而且信号 信号值的代入采用“ ”代入符， 代入时可以附加延时。 代入时可以附加延时。 (2) 变量赋值时用“：=”，不可附加延时。 变量赋值时用“ ” 不可附加延时。 (3) 信号的初始赋值符号仍是“：=”。 信号的初始赋值符号仍是“ ” 例： X<=Y AFTER 10 ns； ； --X，Y都是信号，且Y的值经过 都是信号， 的值经过10ns延 ， 都是信号 的值经过 延 时以后才被代入X。 时以后才被代入 。
(1) 赋值语句右方的表达式必须是一个与目标变量有相同 数据类型的数值。 数据类型的数值。 (2) 变量不能用于硬件连线和存储元件。 变量不能用于硬件连线和存储元件。 (3) 变量的适用范围仅限于定义了变量的进程或子程序中。 变量的适用范围仅限于定义了变量的进程或子程序中。 (4) 若将变量用于进程之外，必须将该值赋给一个相同的 若将变量用于进程之外， 类型的信号，即进程之间传递数据靠的是信号。 类型的信号，即进程之间传递数据靠的是信号。
VHDL语法简单总结
VHDL语法简单总结一个VHDL程序代码包含实体（entity）、结构体（architecture）、配置（configuration）、程序包（package）、库（library）等。
一、数据类型1.用户自定义数据类型使用关键字TYPE，例如：TYPE my_integer IS RANGE -32 TO 32;–用户自定义的整数类型的子集TYPE student_grade IS RANGE 0 TO 100;–用户自定义的自然数类型的子集TYPE state IS (idle, forward, backward, stop);–枚举数据类型，常用于有限状态机的状态定义一般来说，枚举类型的数据自动按顺序依次编码。
2.子类型在原有已定义数据类型上加一些约束条件，可以定义该数据类型的子类型。
VHDL不允许不同类型的数据直接进行操作运算，而某个数据类型的子类型则可以和原有类型数据直接进行操作运算。
子类型定义使用SUBTYPE关键字。
3.数组(ARRAY)ARRAY是将相同数据类型的数据集合在一起形成的一种新的数据类型。
TYPE type_name IS ARRAY (specification) OF data_type;–定义新的数组类型语法结构SIGNAL signal_name: type_name [:= initial_value];–使用新的数组类型对SIGNAL，CONSTANT, VARIABLE进行声明例如：TYPE delay_lines IS ARRAY (L-2 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_IN-1 DOWNTO 0);–滤波器输入延迟链类型定义TYPE coeffs IS ARRAY (L-1 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_COEF-1 DOWNTO 0);–滤波器系数类型定义SIGNAL delay_regs: delay_lines; –信号延迟寄存器声明CONSTANT coef: coeffs := ( ); –常量系数声明并赋初值4.端口数组在定义电路的输入/输出端口时，有时需把端口定义为矢量阵列，而在ENTITY中不允许使用TYPE进行类型定义，所以必须在包集(PACKAGE)中根据端口的具体信号特征建立用户自定义的数据类型，该数据类型可以供包括ENTITY在内的整个设计使用。
VHDL语言教程
VHDL语言教程VHDL是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统，并进行硬件的设计和仿真。
它被广泛应用于数字电路设计、嵌入式系统开发和可编程逻辑控制器等领域。
本教程将介绍VHDL语言的基本概念和语法，帮助您了解和学习这门强大的硬件描述语言。
一、VHDL概述VHDL是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的缩写，意为高速集成电路硬件描述语言。
它是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统。
与传统的电路设计方法相比，使用VHDL可以更加方便、高效地进行电路设计和测试。
1.VHDL的起源和发展VHDL最早由美国国防部为了解决数字电路设计复杂、效率低下的问题而研发。
后来，VHDL成为了一种IEEE标准（IEEE1076）并被广泛应用于数字电路设计和仿真。
2.VHDL的优点VHDL具有以下几个优点：-高级抽象：VHDL提供了一种高级描述电路的方法，使得设计者能够更加方便地表达复杂的电路结构和行为。
-可重用性：VHDL支持模块化设计，使得设计者可以将电路的不同部分进行抽象和封装，提高了电路的可重用性。
-高效仿真：VHDL可以进行高效的电路仿真和测试，有助于验证电路设计的正确性和可靠性。
-灵活性：VHDL可以应用于各种不同类型和规模的电路设计，从小规模的数字逻辑电路到大规模的系统级设计。
二、VHDL语法和基本概念1.VHDL的结构VHDL程序由程序单元（unit）组成，程序单元是VHDL描述的最小单元。
程序单元包括实体（entity）、结构（architecture）、过程（process）和包（package）等。
2. 实体（entity）实体是VHDL描述电路模块的一个部分，包括输入输出端口、信号声明和实体标识符等。
3. 结构（architecture）结构描述了实体的具体电路结构和行为，包括组件声明、信号赋值和行为描述等。
VHDL入门教程
VHDL入门教程VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language）是一种硬件描述语言，用于设计数字电路和系统。
它是由美国国防部在20世纪80年代早期开发的，并由IEEE 1076标准化。
VHDL可以用于描述电路结构、电路行为和模拟。
一、VHDL概述VHDL是一种硬件描述语言，它允许工程师以更高级的语言编写硬件描述。
它可以描述电路结构、电路行为和模拟。
VHDL可以应用于各种电子系统的设计，从简单的数字逻辑门到复杂的处理器。
二、VHDL基本结构VHDL的基本结构包括实体声明、体声明和结构化代码。
实体声明描述了电路的接口，包括输入和输出。
主体声明描述了电路的行为。
结构化代码定义了电路的结构。
三、VHDL数据类型VHDL提供了多种数据类型，包括标量类型（比如整数和实数）、数组类型和记录类型。
每种类型都有其特定的操作和范围。
四、VHDL信号VHDL中的信号用于在电路中传递信息。
信号可以在过程中赋值，并且具有各种延迟属性。
信号还可以连接到模块的输入和输出端口，以实现电路之间的通信。
五、VHDL实体和体VHDL设计包含实体和体。
实体描述了电路的接口和连接，而体描述了电路的行为。
实体和体之间使用端口来传递信息。
六、VHDL组件VHDL中的组件用于将电路模块化，以实现更高层次的设计和复用。
组件可以在实体中声明，并在体中实例化。
七、VHDL并发语句VHDL中的并发语句用于描述电路中多个同时运行的过程。
并发语句包括并行语句、过程、并行块和并行时钟。
八、VHDL测试VHDL测试包括自动测试和手动测试。
自动测试使用测试工具和仿真器来验证电路的正确性。
手动测试包括使用仿真器进行手工测试和调试。
九、VHDL实例以下是一个简单的VHDL实例，实现了一个4位二进制加法器：```vhdllibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;entity binary_adder isporta : in std_logic_vector(3 downto 0);b : in std_logic_vector(3 downto 0);sum : out std_logic_vector(4 downto 0);carry : out std_logicend binary_adder;architecture behavior of binary_adder isbeginprocess(a, b)variable temp_sum : std_logic_vector(4 downto 0);variable temp_carry : std_logic;begintemp_sum := ("0000" & a) + ("0000" & b);temp_carry := '0' when temp_sum(4) = '0' else '1';sum <= temp_sum;carry <= temp_carry;end process;end behavior;```上述VHDL代码定义了一个名为`binary_adder`的实体，它有两个4位输入`a`和`b`，一个5位输出`sum`和一个单一位输出`carry`。
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双向和三态电路设计
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双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计
三态门，简称TSL(Three-state Logic)门，是在普 通门电路的基础上，附加使能控制端和控制电路构成 的。三态门除了通常的高电平和低电平两种输出状态 外，还有第三种输出状态-高阻态。处于高阻态时，电 路与负载之间相当于开路。
双向和三态电路信号赋值
2、双向端口设计 用INOUT模式设计双向端口也必须考虑三 态的使用，因为双向端口的设计与三态端口的 设计十分相似，都必须考虑端口的三态控制。 这是由于双向端口在完成输入功能时，必须使 原来呈输出模式的端口呈高阻态，否则，待输 入的外部数据势必会与端口处原有电平发生 “线与”，导致无法将外部数据正确地读入， 从而实现“双向”的功能。
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双向和三态电路信号赋值
课堂练习：
修改8位4通道三态总线驱动器的第一 个设计，使其能综合出正确的电路。
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双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计
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双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计 三态门用途之一是实现总线传输。总线 传输的方式有两种，单向总线和双向总线。 单向总线方式下，要求只有需要传输信息的 那个三态门的控制端处于使能状态，其余各 门皆处于禁止状态。
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双向和三态电路信号赋值
三态门实现总线传输的原理：
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双向和三态电路信号赋值
2、双向端口设计
双向端口设计实例
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双向和三态电路信号赋值
2、双向端口设计
双向端口设计实例
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双向和三态电路信号赋值
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双向和三态电路信号赋值
2、双向端口设计
分析：
q定义为双向端口，而x定义为三态控制输出口。 在q履行输入功能时，前者没有将其设定为高 阻态输出，即执行语句：q<=“ZZZZZZZZ”，从 而没有使q成为真正的双向端口，导致了错误 的逻辑电路； 执行语句：q<=“ZZZZZZZZ”，使q 在IF 语句 中有了完整的条件描述，从而克服了时序元件 的引入。
8位4通道三态总线驱动器设计二
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双向和三态电路信号赋值
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双向和三态电路信号赋值
3、三态总线设计
分析：
设计一中除了input0外，其余3个8位输入端都悬空 没能用上，显然是因为恰好将input0安排作为进程中 output的最后一个激励信号的原因； 设计二中在结构体中使用了4个并列的WHENELSE并行语句，结构体中的每一条并行语句都等同 于一个独立运行的进程，它们独立监测各并行语句中 作为敏感信号的输入值ctl； 设计二表明，要设计出能产生独立控制的多通道的 电路结构，必须使用并行语句结构。
一般门与其它电路的连接，无非是两种状态，1或者0。 在比较复杂的系统中，为了能在一条传输线上传送不同部件 的信号，通常采用了总线连接的方式，因为总线只允许同时 只有一个使用者，三态门作为一种扩展逻辑功能的输出级， 它的高阻态，也就是高阻抗，相当于该门和它连接的电路处 于断开的状态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的 工作(因为实际电路中你不可能去断开它，所以设置这样一个 状态使它处于断开状态）。 如果你的设备端口要挂在一个总线上, 必须通过三态缓冲 器。因为在一个总线上同时只能有一个端口作输出, 这时其他 端口必须在高阻态, 同时可以输入这个输出端口的数据。 所以 你还需要有总线控制管理，访问到哪个端口，那个端口的三 态缓冲器才可以转入输出状态。这是典型的三态门应用，如 5 果在线上没有两个以上的输出设备, 当然用不到三态门。
双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计
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双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计
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双向和三态电路信号赋值
8 位三态
1、三态门设计
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双向和三态电路信号赋值
1、三态门设计
注 意：
由于'Z'在综合中是一个不确定的值，不同的综合 器可能会给出不同的结果，因而对于VHDL 综合前的 行为仿真与综合后功能仿真结果也可能是不同的，有 时虽然能通过综合，但却不能获得正确的时序仿真结 果，所以建议尽可能不要将'Z'用作比较值，或用作表 达式或操作数； 虽然对于关键词，VHDL 语法规定不区分大小写， 但当把表示高阻态的'Z'值赋给一个数据类型为 STD_LOGIC 的变量或信号时，'Z'必须是大写，这是 因为在IEEE 库中对数据类型STD_LOGIC 的预定义 已经将高阻态确定为大写'Z'。 10
3、三态总线设计
8位4通道三态总线驱动器设计一
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3、三态总线设计
8位4通道三态总线驱动器设计一
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3、三态总线设计
8位4通道三态总线驱动器设计一
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3、三态总线设计
8位4通道三态总线驱动器设计二
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3、三态总线设计
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双向和三态电路信号赋值
3、三态总线设计 为构成芯片内部的总线系统，必须设计 三态总线驱动器电路(注意，大部分FPGA 中 无法形成三态电路)，这可以有多种表达方法， 但必须注意信号多驱动源的处理问题。下面 两个例程都试图描述一个 8位4通道的三态总 线驱动器，但其中一个程序是错误的。
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双向和三态电路信号赋值