设计中心 电子设计自动化技术 教师：李平教授（博导） Email: pli@uestc.edu.cn Tel: 83201794 2004年 5月 设计中心 电子设计自动化技术 第四章 VHDL中的语言要素 设计中心 本章要点 ? VHDL与其他软件编程语言一样，对标志 符和数据格式等具有详细的规定。 ? 在编写VHDL程序时必须完全遵守这些规 定。 ? 对于初学者不可能在短时间内完全记住 每一条规定，可以在编译时，由EDA工具 指出错误后，加以更改。 ? 本章的学习应特别注重 “理解” ，而不要 死记硬背。 设计中心 VHDL中的语言要素 ? 标识符 ? 操作符 ? 数据类型 ? 数据对象 ? 对象的申明 设计中心 基本标识符的书写规则 ? 有效的字符是小写字母（a …z），大写字母 （A …Z），数字（0 …9）以及划线 “-”。 ? 标识符必须以英文字母开头，最后一个字不能是下 划线。 ? 不区分大小写。 ? 两个划线不能连续出现。若出现则成了注释语句。 举例： drive-bus const32-59 r2d2 ram_address 设计中心 操作符 ? 逻辑运算符 ：逻辑运算（Logical） ? 算术运算符 ：算术运算（Arithmetic） ? 关系运算符 ：关系运算（Relational） ? 并置运算符 ：并置运算（Concatenation） 需要注意 A. 被操作符所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。 B. 运算操作符是有优先级的，例如逻辑运算符 NOT，在所有操作符中其优先级最高。表4-1 示出了所有操作符的优先次序。 设计中心 设计中心 逻辑运算符 在VHDL中逻辑运算符共有6种，它们分别是 ： ? NOT——取反； ? AND——与； ? OR——或； ? NAND——与非； ? NOR——或非； ? XOR——异或。 设计中心 逻辑运算符 ? 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。 ? 当一个语句中存在两个以上的逻辑表达式时， 在VHDL中，左右没有优先级差别。 X<=（a AND b）OR （NOT c AND d）；--必须要括号 ? 如果逻辑表达式中只有“ AND”，“ OR”，“ XOR”运算 符，那么改变运算顺序不会导致逻辑变化。 a<=b AND c AND d AND e ; a<=b XOR c XOR d XOR e ; 设计中心 算术运算符 VHDL有10种算术运算符，它们分别是： ? + ——加； ? － ——减； ? *——乘； ? / ——除； ? MOD——求模； ? REM——取余； ? + ——正；（一元运算） ? － ——负（一元运算） ? ** ——指数； ? ABS——取绝对值。 设计中心 算术运算符（续） ? 实际上能够真正综合逻辑电路的算术运算符只 有“ +”、“ －” 、“ *”。 ? 在数据位较长的情况下，在使用算术运算符进 行运算，特别是使用乘法运算符“ *”时，应特别 慎重。因为对于16位的乘法运算，综合时逻辑 门电路会超过2000个门。 ? 对于算术运算符“ /”、“ MOD”、“ REM”，分母的操作 数为2乘方的常数时，逻辑电路综合是可能的。 设计中心 关系运算符 VHDL中有6种关系运算符，它们分别是： ? = ——等于； ? /= ——不等于； ? ＜ ——小于； ? ＜= ——小于等于； ? ＞ ——大于； ? ＞= ——大于等于。 设计中心 关系运算符（续） ? 等号 “=”和不等号 “/=”可以适用所有类型的数据。 ? 其它关系运算符则可使用于整数（INTEGER）和这数 （REAL）、位（STD_LOGIC）等枚举类型以及位矢量 （STD_LOGIC_VECTOR）等数组类型的关系运算。 ? 在进行关系运算时，左右两边的操作数的数据类型 必须相同，但是位长度不一定相同，当然也有例外 的情况。 注意： 在关系运算符中小于等于符 “＜= ”和代入符 “＜= ” 是相同的，在读VHDL的语句时，应按照上下文关系 来判断此符号到底是关系还是代入符。 设计中心 并置运算符 并置运算符“& ”用于位的连接。 例如： ? 将4个“位”用并置运算符“& ”连接起来就 可以构成一个具有4位长度的位矢量。 ? 两个4位的位矢量用并置运算符“& ”连接 起来就可以构成8位长度的位矢量。 设计中心 数据类型 ? 在VHDL 中，一个对象可以保存一个或几个数， 同时这一个或这几个数可以是某一种或几种类型 的数值。数据类型是对象的这一重要属性的表征。 用一个标识符代表某个或某些个指定类型的数值 的有限或无限集合，则称为一个 数据类型。某个 对象具有某数据类型，就表示该对象可以保存的 数值应该在数据类型所限定的某种类型数的指定 范围中。数据类型由 type语句定义。 ? 根据数据类型所能保存数的个数， 数据类型分纯 量类型、复合类型、存取类型和文件类型。 设计中心 纯量类型 ?纯量类型的对象只能保存一个数。纯量类型的 数据类型 可以包含某一类型数的连续范围或若干离散数。 ?纯量类型又包括以下几种类型: 1. 整数类型（int eger）：最大范围是 –2147483647 到 2147483647。 2. 实数类型（Real）：定义的范围为– 1.0E+38到 +1.0E+38。实数有正负之分，书写时一定要加小数点。 例如：－3.2，+4.0，-1.0E36。 3. 位类型（Bit）：用 “0”和 “1”中的一个来代表二进制的 值。 4. 布尔类型（Boolean）：包括False和True 设计中心 纯量类型（续） 5. 枚举类型：此类型是我们可以自定义的类型。 我们可以通过枚举某种类型的所有可能值来定 义一个枚举类型，其定义的基本格式为： type 〈类型名称〉is〈元素1，元素2， ……〉; 例如：TYPE color IS (blue，red，yellow); 6. 时间类型（time）：这是一个物理量的数据， 它包括整数和单位两部分，而且整数和单位之 间至少应留有一个空格。例如：35 sec， 2 min。 设计中心 复合类型 复合类型包括数组类型和记录类型: ? 数组类型用于定义同一类型值的集合 ? 记录类型用于定义可能不同类型的集合 设计中心 数组类型 数组类型 是一种复合数据类型，一个数组由若干同 一种数据类型的元素组成，所用数组元素可作一 维或多维排列 ，即数组元素可有一个或多个下标。 定义数组类型的数据类型，应用关键字array说 明是数组类型，并说明数组下标范围和数组元素 的数据类型。如： ? type word is array (15 downto 0) of Bit; ? 此例表示，数据word被定义为数组类型的数据， 该数组包含16个元素，即下标范围从15往下数到 0，该数组元素的类型被定义为了Bit数据类型， BIT类型只能取二进制的0或1。 设计中心 数组类型（续） 下标范围也可以定义为不定，即数组规模也就是数 组中的元素个数不定，此类型的数组可以如下定 义： type Bit_vector is array (Natural range <>) of Bit; 此例中，Bit_vector也是被定义为以数据类型Bit 为 元素组成的数组类型。在下标定义中使用range<> 表示该数组类型的下标范围不定，但下标的数据 类型为Natural, 这是一个已定义过的数值为自然数 的数据类型。也就是说这个数组的元素的下标只 要是自然数就行了，数据类型Bit_vector和Natural 也是VHDL 中的预定义的数据类型。 设计中心 记录类型 记录也是一种复合类型，上面讲到由同一类的数据组 织在一起而形成的新的数据类型叫数组类型，而由 不同类型的数据组织在一起而形成的数据类型叫记 录类型。 记录类型的规范书写格式为： TYPE 数据类型 IS RECORD 元素名： 数据类型名； 元素名： 数据类型名； ┆ END RECORD; 设计中心 记录类型定义示例 TYPE pic_bus IS RECORD ADDR: STD_LOGIC_VECTOR (31 DOWNTO 0); DATA: STD_LOGIC_VECTOR (31 DOWNTO 0); END RECORD; 这里 pic_bus被定义为记录类型，其中 ADDR和 DATA 是其中的两个元素，这两个元素都是位矢量。 设计中心 存取类型 存取类型类似于C语言中的指针类型，它被用来 在对象之间建立联系，或者给新对象分配或 释放存储空间。在IEEE std_1076的程序包 TEXTIO 中，有1个预定义的存取类型 Line (系统工程师也可以定义自己的存取类型)； TYPE line IS ACCESS string; 这表示类型为line 的变量是指向字符串值的指 针。只有变量才可以是存取类型，例如： VARIABLE line_buffer : line ; 设计中心 文件类型 ?文件类型用于在主系统环境中定义代表文件的对象， 文件对象的值是主系统文件中值的序列。 ?在IEEE Std_1076的程序包TEXTIO中，有1个预定义 的文件类型Text (系统工程师也可以定义自己的文 件类型)： TYPE Text IS FILE OF string; -- TEXTIO程序包中预定义的文件类型 TYPE input_type IS FILE OF character ; --系统工程师自定义的文件类型 设计中心 数据对象 ?VHDL程序中数值的载体称为对象（ object）。 ?VHDL中有四种对象：常量（constant ）、变 量（ variable）信号（ signal）和文件 (file)。其 中文件类型是 VHDL 的93 标准中更新通过的。 ?常量、变量和文件的定义与高级语言中的定义 是一样的，在这里用来描述电路的行为。信号 可以看作是电路中的信号线，文件是传输大量 数据的客体，在仿真测试时，测试的输入激励 数据和仿真输出常常需要用文件来实现。 设计中心 请注意三点： 1. 常量只能进行一次赋值，变量和信号则可多次赋值。 2. 信号相当于硬件中的连线（信号线），因 此信号的 赋值必须经一段时间延迟才能生效；而变量的赋值 是立即生效。 3. 常量是全局量，即其值始终不变。在结构体描述， 包集合说明，实体说明，过程说明，函数调用说明 和进程说明中使用。变量是局部量，在进程说明， 函数调用说明，过程说明中使用。信号是全局量， 在结构体描述，包集合说明，实体说明中使用。 设计中心 【例4-1 】变量与信号赋值语句 （1 ） a_variable := x * y ; （2 ） b_variable := a_variable + z ; （3 ） a_signal <= x * y ; （4 ） b_signal <= a_signal + z ; ? 语句（ 1）和语句（ 2）的变量赋值是立即生效的， 相邻语句的变量值可以传递； ? 语句（ 3）和语句（ 4）的信号赋值受△延时作用， 其赋值过程特殊，相邻语句的信号值不可以传递。 设计中心 对象的声明 在VHDL中，所使用的对象要预先声明，对象的声明包 括对象的类型和它的数据类型，有时也可给出 其初值。 对象声明的一般形式为： 〈 对象类型〉〈对象名〉：〈数据类型〉:=〈初值〉; 一个特定对象的声明要求指明它的对象类型（常量、 变量、信号）和数据类型。 例如 ： SIGNAL clk： BIT； clk被声明为了一个信号（S IGNAL） ，并且clk的数据 类型属于BIT类型。 一个数值也可以被选择定义为信号、常量或变量。 对于一个文件，声明中需要有如何打开这个文件的信息。 设计中心 常量声明 常量声明一般格式为： CONSTANT 常量名 : 数据类型 := 表达式 ; 例如： CONSTANT rise_time : TIME :=10ns ; CONSTANT bus_width : INTEGER :=8 ; 第一行声明了对象rise_time,它的数值的类型是TIME 型的（TIME 是语言中预先定义的），它在仿真开始 时的值设定为10ns。 第二行声明了常量bus_width，它为整数类型的数值8。 设计中心 以下进一步举例说明常量的声明： CONSTANT a : BIT_VECTOR (0 TO 3) ; 对象a被定义为常量，数据类型为位向 量BIT_VECTOR。在 定义对象a时确定了其下标范围，从0到3。 在定义常量a时，也可同时进行赋值，以枚举形式给出它 的各个元素的数值，如： CONSTANT a : BIT_VECTOR := (‘0’,’0’,’1’,’0’) ; 这是按位向量下标顺序列出a (0:3)的值的。也可不按顺 序，但要标明下标值。如下面两式均与上式等价： CONSTANT a : BIT_VECTOR :=(0=>’0’,1=>’0’,2=>’1’,3=>’0’); CONSTANT a : BIT_VECTOR :=(2=>’1’,OTHERS=>’0’); 由于BIT_VECTOR是位向量，故可用位串 表示其值，如a可 等价地定义为： CONSTANT a : BIT_VECTOR := ”0010”； 设计中心 变量声明 变量声明一般格式为： VARIABLE 变量名:数据类型、约束条件:=表达式 ; 例如： VARIABLE ctrl_status:BIT_VECTOR(10 DOWNTO 0); VARIABLE sum:INTEGER RANGE 0 TO 100:=10; 第一行声明对象 ctrl_status为有 11个元素的数列，每 个数列元素的类型是 BIT。 设计中心 信号声明 信号声明一般格式为： SIGNAL 信号名:数据类型、约束条件:=表达式; 例如： SIGNAL sys_clk: BIT := ’0’ ; SIGNAL sys_busy : BIT :=’1’ ; SIGNAL count : BIT_VECTOR (7 DOWNTO 0) ; 有关信号的使用规则如下： “:=” 表示直接赋值，可用于信号赋初始值 (无延时 )。 “<=” 表示代入赋值，用于信号的传递，允许延时。 例如： t1<= t2 AFTER 20ns ; 上式表明信号 t2的值在延时 20ns后赋予 t1。 设计中心 文件声明 对文件进行说明的格式是： FILE 文件变量：TEXT IS 方向 “文件名 ”； 其中的“ 方向” 是指明读还是写，读为IN，写为OUT。 “文 件名” 所指的文件必须是ASCII 码的文件。当读入时， 此文件的扩展名必须为 “in”，当读出时，扩展名必须 为“ out”。 例如： FILE fi ：TEXT IS IN “test.in”; 上面一条语句说明 fi被定义为文件变量，它指向文件 名为 test.in的文件。 设计中心 从文件中读出一行的格式是： READLINE (文件变量，行变量)； 例如： VARIABLE li:LINE； READLINE (fi ，li)； 首先定义li为行变量（即LINE），然后从前一例定 义的文件变量fi所指的文件（即test.in）中读出一 行数据，赋值给行变量li。 从文件中读出一行后，还可以依次读出一行中的 每个数据，放到指定的数据变量或信号中，其格式为： READ（行变量，数据变量）； 例如（接上面的例子）： READ（li，clk）; READ（li，dout）; 设计中心 作业