VHDL 编 程 基 础

VHDL 编 程 基 础

目 录

3.1 概述 3.2 VHDL 设计实体的基本结构 3.3 VHDL 语言要素 3.4 VHDL 顺序语句 3.5 VHDL 并行语句 3.6 VHDL 的库和程序包 3.7 VHDL 设计流程

3.1 概 述 3.1.1 VHDL 语言简介 VHDL 是超高速集成电路硬件描述语言（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description language ）。是标准化程度最高的硬件描述语言。目前流行的 EDA 工具软件全部支持 VHDL ， VHDL 是现代电子设计师必须掌握的硬件设计计算机语言。(1) 逻辑描述层次：一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，层次由高到低依次可分为行为级、 RTL 级( 寄存器转换级 ) 和门电路级。 VHDL 语言是一种高级描述语言，适用于行为级和 RTL 级的描述，最适于描述电路的行为；(2) 设计要求： VHDL 进行电子系统设计时可以不了解电路的结构细节，设计者所做的工作较少； Verilog 和 ABEL 语言进行电子系统设计时需了解电路的结构细节，设计者需做大量的工作。

3.1.3 VHDL3.1.3 VHDL 程序设计约定程序设计约定为了便于程序的阅读和调试，对为了便于程序的阅读和调试，对 VHDLVHDL 程序设计特作如下约程序设计特作如下约定：定： (1) (1) 语句结构描述中方括号“语句结构描述中方括号“ [ ]”[ ]” 内的内容为可选内容。内的内容为可选内容。 (2) (2) 对于对于 VHDLVHDL 的编译器和综合器来说，程序文字的大小的编译器和综合器来说，程序文字的大小写是不加区分的。写是不加区分的。 (3) (3) 程序中的注释使用双横线“程序中的注释使用双横线“ --”--” 。在。在 VHDLVHDL 程序的任程序的任何一行中，双横线“何一行中，双横线“ --”--” 后的文字都不参加编译和综合。 后的文字都不参加编译和综合。 (4) (4) 为了便于程序的阅读与调试，书写和输入程序时，使为了便于程序的阅读与调试，书写和输入程序时，使用层次缩进格式，同一层次的对齐，低层次的较高层次的缩用层次缩进格式，同一层次的对齐，低层次的较高层次的缩进两个字符。进两个字符。 (5) (5) 考虑到考虑到 MAX+plusIIMAX+plusII 要求源程序文件的名字与实体名要求源程序文件的名字与实体名必须一致，因此为了使同一个必须一致，因此为了使同一个 VHDLVHDL 源程序文件能适应各个源程序文件能适应各个EDAEDA 开发软件上的使用要求，建议各个源程序文件的命名均开发软件上的使用要求，建议各个源程序文件的命名均与其实体名一致。与其实体名一致。

• 3.2 VHDL 设计实体的基本结构 • 通过 VHDL 描述一个二输入或门的实例，来说明 VHDL 的基本结构。• 例 1 一个二输入或门的 VHDL 程序如下：• LIBRARY IEEE; -- IEEE 库的使用说明• USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; -- 实体描述器件的输入、输出端口和

数据类型用的程序包• ENTITY OR2 IS -- 实体 OR2 的说明• PORT(A,B: STD_LOGIC; --- 端口声明， A 、 B 是标准逻辑位类型的

输入端口• C:OUT STD_LOGIC); -- 声明 C 是标准逻辑位类型的输出端口• END ENTITY OR2;• ARCHITECTURE ONE OF OR2 IS -- 实体 OR2 的结构体 ONE 的说明• BEGIN• C<=A OR B; -- 二输入或门逻辑功能描述• END ARCHITECTURE ONE;

• 或门程序包含了 VHDL 的库、程序包、实体说明和结构体几个主要部分。语句 C<=A OR B 为或门电路的逻辑描述，其他都作为或门对外部端口的描述，设计实体定义了或门外部界面后，其他的设计就可以直接调用这个或门实体。

3.2.1 VHDL 程序设计举例1 ．设计思路 以全加器为例例 2 全加器可以由两个 1 位的半加器构成。 1 位半加器的端口信号 A 和 B 分别是 2 位相加的二进制输入信号， SO 是相加和的输出信号， CO 是进位输出信号，左边的门电路结构构成了右边的半加器 H_ADDER 。

图中，全加器 F_ADDER 内部的功能结构是由 3 个逻辑器件构成的，即由两个半加器 U1 、 U2 和一个或门 U3 连接而成。

1 位全加器逻辑原理图

2. VHDL 源程序1) 或门的逻辑描述LIBRARY IEEE; -- IEEE 库的使用说明 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;-- 实体描述器件的输入、输出端口和数据类型用的程序包ENTITY or2 IS -- 实体 or2 的说明 PORT(a,b:IN STD_LOGIC; -- 端口声明， a 、 b 是标准逻辑位类型的输入端口 c: OUT STD_LOGIC); -- 声明 c 是标准逻辑位类型的输出端口END ENTITY or2;ARCHITECTURE art1 OF or2 IS -- 实体 or2 的结构体 art1 的说明 BEGIN c<=a OR b;END ARCHITECTURE art1;

2) 半加器的逻辑描述 LIBRARY IEEE; -- IEEE 库的使用说明 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY h_adder IS -- 实体 h_adder 的说明 PORT(a,b:IN STD_LOGIC; co,so:OUT STD_LOGIC); END ENTITY h_adder; ARCHITECTURE art2 OF h_adder IS -- 实体 h_adder 的结构体 art2 的说明 BEGIN so<=(a OR b) AND (a NAND b); co<=NOT (a NAND b); END ARCHITECTURE art2;

3) 全加器的逻辑描述LIBRARY IEEE; -- IEEE 库的使用说明USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY f_adder IS -- 实体 f_adder 的说明 PORT(ain,bin,cin:IN STD_LOGIC; -- 端口声明，方向、数据类型名 cout,sum: OUT STD_LOGIC); END ENTITY f_adder; ARCHITECTURE art3 OF f_adder IS -- 实体 F_ADDER 的结构体 ART3 的说明 COMPONENT h_adder -- 元件调用声明，将 h_adder 作为元件连接到指定端口 PORT(a,b:IN STD_LOGIC; -- 端口声明 co,so:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT h_adder;

COMPONENT or2 PORT(a,b:IN STD_LOGIC; c: OUT STD_LOGIC);END COMPONENT or2; SIGNAL d,e,f:STD_LOGIC; -- 定义中间信号转存点 BEGIN -- 元件连接说明 U1:h_adder PORT MAP(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e); -- 名称映射法 U2:h_adder PORT MAP(a=>e,b=>cin,co=>f,so=>sum); -- 名字关联方式 U3:or2 PORT MAP(a=>d,b=>f,c=>cout); END ARCHITECTURE art3;

3. 说明及分析(1) 整个设计包括三个设计实体，分别为 or2 、 h_adder

和 f_adder ，其中实体 f_adder 为顶层实体。三个设计实体均包括三个组成部分：库、程序包使用说明，实体说明和结构体说明。这三个设计实体既可以作为一个整体进行编译、综合与存档，也可以各自进行独立编译、独立综合与存档，或被其他的电路系统所调用。

(2) 实体 or2 定义了或门 or2 的引脚信号 a 、 b( 输入 ) 和c( 输出 ) ，结构体 art1 描述了输入与输出信号间的逻辑关系，将输入信号 a 、 b相或后传给输出信号端 c ，由此实体和结构体描述一个完整的或门元件。

(3) 实体 h_adder 及对应的结构体 art2 描述了一个半加器。是由一个与非门、一个非门、一个或门和一个与门连接而成的，其逻辑关系来自于半加器真值表。在 VHDL 中，逻辑算符 NAND 、 NOT 、 OR 和 AND 分别代表“与非”、“非”、“或”和“与” 4 种逻辑运算关系。

(4) 在全加器接口逻辑 VHDL 描述中， 1 位二进制全加器 f_adder 的原理图，实体 f_adder 定义了引脚的端口信号属性和数据类型。其中， ain 和 bin 分别为两个输入的相加位， cin 为低位进位输入， cout 为进位输出， sum 为 1位和输出。其对应的结构体 art3 的功能是利用 COMPONENT 声明语句和 COMPONENT 例化语句将上面由两个实体 or2 和 h_adder 描述的独立器件，按照图 3.2 全加器内部逻辑原理图中的接线方式连接起来。

(5) 在结构体 art3 中， COMPONENT→END COMPONENT 语句结构对所要调用的或门和半加器两元件作了声明 (COMPONENT DECLARATION) ，并由 SIGNAL 语句定义了三个信号 d 、 e 和 f ，作为中间信号转存点，以利于几个器件间的信号连接。

“PORT MAP( )” 语句称为元件例化语句 (COMPONENT INSTANTIATION) 。所谓例化，在电路板上，相当于往上装配元器件；在逻辑原理图上，相当于从元件库中取了一个元件符号放在电路原理图上，并对此符号的各引脚进行连线。例化也可理解为元件映射或元件连接， MAP 是映射的意思。例如，语句“ U2 ： h_adder PORT MAP(a=>e ， b=>cin ，co=>f ， so=>sum)” 表示将实体 h_adder 描述的元件 U2的引脚信号 a 、 b 、 co 和 so 分别连向外部信号 e 、 cin 、f 和 sum 。符号“ =>” 表示信号连接。

(6) 实体 f_adder 引导的逻辑描述也是由三个主要部分构成的，即库、实体和结构体。从表面上看来，库的部分仅包含一个 IEEE 标准库和打开的 IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL程序包。但实际上，从结构体的描述中可以看出，其对外部的逻辑有调用的操作，这类似于对库或程序包中的内容作了调用。因此，库结构部分还应将上面的或门和半加器的 VHDL 描述包括进去，作为工作库中的两个待调用的元件。由此可见，库结构也是 VHDL 程序的重要组成部分。

3.2.2 VHDL 程序的基本结构 完整的 VHDL 程序 ( 设计实体 ) 具有固定的结构。应包括三个基本组成

部分：库、程序包使用说明，实体说明和实体对应的结构体说明。 库、程序包使用说明用于打开本设计实体将要用到的库、程序包； 实体说明用于描述该设计实体与外界的接口信号说明，是可视部分； 结构体说明用于描述该设计实体内部工作的逻辑关系。 在一个实体中，可以含有一个或一个以上的结构体，而在每一个结构体

中又可以含有一个或多个进程以及其他的语句。 实体还可以有配置说明语句。配置说明语句主要用于以层次化的方式对

特定的设计实体进行元件例化，或是为实体选定某个特定的结构体。

VHDL 程序设计基本结构

库、程序包使用说明

配置 (CONFIGURATION)

结构体 (ARCHITECTURE)

实体 (ENTITY) PORT 端口说明

结构体说明

GENERIC 类属说明

体

实

计

设

结构体功能描述

3.2.2 VHDL 程序的基本结构

库、程序包 根据 VHDL 语法规则，在 VHDL 程序中使用的文字、数据对象、

数据类型都需要预先定义。为了方便用 VHDL 编程， IEEE 将预定义的数据类型、元件调用声明 (Declaration) 及一些常用子程序收集在一起，形成程序包，供 VHDL 设计实体共享和调用。

若干个程序包则形成库，常用的库是 IEEE 标准库。因此，在每个设计实体开始都有打开库或程序包的语句。例如

LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 表示设计实体中被描述器件的输入、输出端口和数据类型将要用到

IEEE 标准库中的 STD_LOGIC_1164 程序包。

3.2.3 实体 (ENTITY) 实体 (ENTITY) 是设计实体中的重要组成部

分，是一个完整的、独立的语言模块。它相当于电路中的一个器件或电路原理图上的一个元件符号。

实体由实体声明和结构体组成。实体声明部分指定了设计单元的输入输出端口或引脚，是设计实体经封装后对外的一个通信界面，是外界可以看到的部分。

结构体用来描述设计实体的逻辑结构和逻辑功能。由 VHDL 语句构成，是外界看不到的部分。一个实体可以拥有一个或多个结构体。

1 ．实体语句结构实体声明部分的常用语句结构如下： ENTITY 实体名 IS [GENERIC( 类属表 ) ； ] [PORT( 端口表 ) ； ] END ENTITY 实体名； 实体声明单元必须以语句“ ENTITY 实体名 IS” 开

始，以语句“ END ENTITY 实体名；”结束，实体名是设计者自己给设计实体的命名，可作为其他

设计实体对该设计实体进行调用时用。中间在方括号内的语句描述，在特定的情况下并非是必须的。

2 ．类属 (GENERIC) 说明语句 类属 (GENERIC) 参数声明必须放在端口声明之前，

用于指定如矢量位数、器件延迟时间等参数。类属声明的一般书写格式如下：

GENERIC([ 常数名；数据类型 [ ：设定值 ]

{ ；常数名：数据类型 [ ：设定值 ]}) ；例 : GENERIC(m:TIME=1.0ns);

-- m 是一个值为 1.0ns 的时间参数 Temp1<=d0 AND sel AFTER m;

-- 表示 d0 AND sel 经 1.0ns 延迟后才送到 Temp1

【例 3.2.2 】 2 输入与门的实体描述。 ENTITY and2 IS

GENERIC(RISEW ： TIME:=1ns ； FALLW ： TIME:=1ns) ； PORT( a1 ： IN STD_LOGIC ； a0 ： IN STD_LOGIC ； z0 ： OUT STD_LOGIC) ； END ENTITY and2 ； 这是一个准备作为 2 输入与门的设计实体的实体描述，

在类属说明中定义参数 RISEW 为上沿宽度， FALLW 为下沿宽度，它们分别为 1ns ，这两个参数用于仿真模块的设计。

3 ．PORT 端口说明 端口声明语句是描述器件的外部接口信号的声明，相当于器件的引脚声明。实体端口声明的一般书写格式如下： PORT( 端口名：方向 数据类型； { 端口名：方向 数据类型 }) ； 例如 PORT(a, b:IN STD_LOGIC; -- 声明 a, b 是标准逻辑位类型的输入端口 s: IN STD_LOGIC; -- 声明 s 是标准逻辑位类型的输入端口 y: OUT STD_LOGIC); -- 声明 y 是标准逻辑位类型的输出端口

端口名是实体每一个对外通道的名字；端口方向模式是通道上数据流动的方式，如输入或输出等；数据类型是端口上流动数据的表达格式。 VHDL 对语句中的所有操作数的数据类型都有严格的规定。一个实体通常有一个或多个端口，端口类似于原理图部件符号上的管脚。实体与外界交流的信息必须通过端口通道流入或流出。 IEEE 定义了 4 种常用的端口模式：IN-- 输入的引脚，OUT-- 输出的引脚，BUFFER-- 带输出缓冲器并可以回读的引脚 ( 与 TRI 引脚不同 ) ，INOUT-- 双向引脚 ( 即 BIDIR 引脚 ) 。此模式的端口是普通输出端口 (OUT) 加入三态输出缓冲器和输入缓冲器构成的。 端口描述中的数据类型主要有两类： 位 (BIT) 和位矢量 (BIT_VECTOR) 。 若端口的数据类型定义为 BIT ，则其信号值是一个 1 位的二进制数，取值只能是 0 或 1 ；若端口数据类型定义为 BIT_VECTOR ，则其信号值是一组二进制。

IN OUT BUFFER INOUT

端口模式（方向）说明

端口模式符号图

3.2.4 结构体 (ARCHITECTURE) 结构体是用于描述设计实体的内部结构以及实体端口间的逻辑关系，在电路上相当于器件的内部电路结构。一个完整的结构体由两个基本层次组成：● 对数据类型、常数、信号、子程序和元件等元素的信号声明部分。● 描述实体逻辑行为的，以各种不同的描述风格表达的功能描述语句。

进程语句

块语句体

结

构

明

说

体构

结

述

能描

功

体构结

元件例化语句

子程序调用语句

信号赋值语句

常数说明

数据类型说明

信号说明

例化元件说明

子程序说明 结构体构造图

1. 结构体的一般语句格式 结构体的语句格式如下： ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS [ 信号声明语句 ] ； -- 为内部信号名称及类型声明 BEGIN [ 功能描述语句 ] END ARCHITECTURE 结构体名；其中，实体名必须是所在设计实体的名字，而结构体名可以由设计者

自己选择，但当一个实体具有多个结构体时，结构体的取名不可重复。例如 设 a 、 b 是或非门的输入端口， z 是输出端口， y 是结构体内部

信号，则用 VHDL 描述的两输入端或非门的结构体为： ARCHITECTURE nor1 OF templ IS SIGNAL y: STD_LOGIC; BEGIN y<=a OR b; -- 结构体功能描述语句 z<=NOT y; END ARCHITECTURE nor1;

2 ．结构体说明语句 结构体中的说明语句是对结构体的功能描述语句中将要

用到的信号 (SIGNAL) 、数据类型 (TYPE) 、常数 (CONSTANT) 、元件 (COMPONENT) 、函数 (FUNCTION) 和过程(PROCEDURE) 等加以说明的语句。

但在一个结构体中说明和定义的数据类型、常数、元件、函数和过程只能用于这个结构体中，若希望其能用于其他的实体或结构体中，则需要将其作为程序包来处理。

3 ．功能描述语句结构 功能描述语句结构含有五种不同类型，以并行方式工作。

在每一语句结构的内部可能含有并行运行的逻辑描述语句或顺序运行的逻辑描述语句。

各语句结构的基本组成和功能分别是： (1) 块语句 (BLOCK) 是由一系列并行执行语句构成的组合体，它的功能是将结构体中的并行语句组成一个或多个模块。

(2) 进程语句 (PROCESS) 定义顺序语句模块，用以将从外部获得的信号值，或内部的运算数据向其他的信号进行赋值。

(3) 信号赋值语句 ( 赋值目标 <= 表达式； ) 将设计实体内的处理结果向定义的信号或界面端口进行赋值。

(4) 子程序调用语句用于调用一个已设计好的子程序。子程序有过程 (PROCEDURE) 和函数 (FUNCTION) 两种类型。

(5) 元件例化 (COMPONENT) 语句对其他的设计实体作元件调用说明，并将此元件的端口与其他的元件、信号或高层次实体的界面端口进行连接。

例 1 ： 半加器的描述LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; --IEEE 库使用声明ENTITY h_adder IS

PORT(a,b:IN STD_LOGIC; -- 实体端口声明 so,co:OUT STD_LOGIC);

END h_adder;

ARCHITECTURE ONE OF h_adder IS

BEGIN

so<=a XOR b; -- 结构体功能描述语句 co<=a AND b;

END ARCHITECTURE ONE;

例 2 ： 2 选 1 数据选择器的描述LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY mux21 IS

PORT( a,b: IN STD_LOGIC;

s: IN STD_LOGIC;

y: OUT STD_LOGIC);

END mux21;

ARCHITECTURE ONE OF mux21 IS

BEGIN

y<=a WHEN s='0' ELSE

b;

END ARCHITECTURE ONE;

例 3 ：锁存器的描述LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY latch1 IS

PORT( d: IN STD_LOGIC;

ena: IN STD_LOGIC;

q:OUT STD_LOGIC);

END latch1;

ARCHITECTURE ONE OF latch1 IS

BEGIN

PROCESS(d,ena)

BEGIN

IF ena='1'THEN

q<=d;

END IF;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ONE;

例 4 四位二进制加法计数器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY cnt4evhdl ISPORT( clk,ena:IN STD_LOGIC; cout:OUT STD_LOGIC; q:BUFFER INTEGER RANGE 0 TO 15);END cnt4evhdl;ARCHITECTURE one OF cnt4evhdl IS BEGIN PROCESS(clk,ena) BEGIN

IF clk'EVENT AND CLK='1'THEN IF ena='1'THEN IF q=15 THEN q<=0; cout<='0'; ELSIF q=14 THEN q<=q+1; cout<='1'; ELSE q<=q+1; END IF; END IF; END IF; END PROCESS;END ARCHITECTURE one;

例 5 七段显示译码器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Dec7svhdl IS PORT( a:IN BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); led7S:OUT BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0));END;ARCHITECTURE one OF Dec7svhdl IS BEGIN PROCESS(a) BEGIN CASE a(3 DOWNTO 0) IS --case 选择语句 WHEN "0000"=>LED7S<="00111111"; WHEN "0001"=>LED7S<="00000110"; WHEN "0010"=>LED7S<="01011011"; WHEN "0011"=>LED7S<="01001111"; WHEN "0100"=>LED7S<="01100110"; WHEN "0101"=>LED7S<="01101101"; WHEN "0110"=>LED7S<="01111101";

WHEN "0111"=>LED7S<="00000111"; WHEN "1000"=>LED7S<="01111111"; WHEN "1001"=>LED7S<="01101111"; WHEN "1010"=>LED7S<="01110111"; WHEN "1011"=>LED7S<="01111100"; WHEN "1100"=>LED7S<="00111001"; WHEN "1101"=>LED7S<="01011110"; WHEN "1110"=>LED7S<="01111001"; WHEN "1111"=>LED7S<="01110001"; WHEN OTHERS=>NULL; END CASE; END PROCESS;END ARCHITECTURE one;

例 6 奇偶校验器的描述LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY p_check ISPORT( a:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y:OUT STD_LOGIC);END p_check;

ARCHITECTURE one OF p_check IS BEGIN PROCESS(a) VARIABLE temp:STD_LOGIC; BEGIN temp:='0'; FOR n IN 0 TO 7 LOOP temp:=temp XOR a(n); END LOOP; y<=temp; END PROCESS;END one;

例 7 求最大值的函数LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; PACKAGE bpac1 IS FUNCTION max ( a,b:IN STD_LOGIC_VECTOR) RETURN STD_LOGIC_VECTOR; -- 声明函数首 END; PACKAGE BODY bpac1 IS FUNCTION max ( a,b:IN STD_LOGIC_VECTOR) -- 声明函数体 RETURN STD_LOGIC_VECTOR IS BEGIN IF (a>b) THEN RETURN a; ELSE RETURN b; END IF; END max;END bpac1; 在设计实体中声明的数据类型、子程序或数据对象对于其他设计实体是不可再利用

的。为了使已声明的数据类型、子程序、元件能被其他设计实体调用或共享，可以把它们汇集在程序包中。包中可以有多个元件和函数。

打开 bpac1 程序包的语句为： USE work.bpac1.ALL 放在实体声明前面函数调用语句 函数名 （关联参数表）例如，调用求最大值函数的语句为： peak<=max(data,peak);

元件例化语句第一步 设计二输入与非门LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY nd2 ISPORT( a,b:IN STD_LOGIC; c:OUT STD_LOGIC);END nd2;ARCHITECTURE nd2behv OF nd2 IS BEGIN c<=a NAND b;END nd2behv;第二步 将设计的元件声明装入 my_pkg 程序包中

LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;PACKAGE my_pkg IS component nd2 -- 元件声明 PORT (a,b:IN STD_LOGIC; c:OUT STD_LOGIC);END component nd2 ;END my_pkg;

第三步 用元件例化产生图示的电路LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE work.my_pkg.ALL; -- 打开程序包ENTITY ord41 ISPORT( a1,b1,c1,d1:IN STD_LOGIC; z1:OUT STD_LOGIC);END ord41;ARCHITECTURE ord41behv OF ord41 IS -- 元件例化 SIGNAL x,y:STD_LOGIC; BEGIN u1:nd2 PORT MAP(a1,b1,x); -- 位置关联方式 u2:nd2 PORT MAP(a=>c1,b=>d1,c=>y); -- 名字关联方式 u3:nd2 PORT MAP(x,y,c=>z1); -- 混合关联方式END ord41behv;

3.2 VHDL 语言要素3.2.1 VHDL 文字规则1. 数字型文字（ 1 ）整数文字 整数文字由数字和下划线组成。下划线用来将数字分组，

便于读出。例： 5 ， 678 ， 156E2 ， 45_234_287 相当于 (45,234,28

7)（ 2 ）实数文字 实数文字由数字、小数点和下划线组成。例： 188.993, 88_670_551.453_909 相当于 (88,670,551.

453,909)

（ 3 ）以数字基数表示的文字 以数字基数表示的文字的格式为： 数制 # 数值 #例： 10#170#; -- 十进制数值 16#FE#; -- 十六进制数值 2#11010001#; -- 二进制数值 8#376#; -- 八进制数字（ 4 ）物理量文字 表示时间、长度等物理量。例如， 60s ， 100m 。2. 字符串文字 字符串文字包括字符和字符串。字符是以单引号括起来的

数字、字母和符号。包括文字字符串和数值字符串。（ 1 ）文字字符串文字字符串是用双引号括起来的一维字符数组。例：“ ABC” ，“ A BOY” ，“ A” 都是文字字符串。

（ 2 ）数值字符串 数值字符串也叫做矢量，格式为 数制基数符号“数值字符串”例： B”111011110”; -- 二进制数数组，位矢量组长度是 9 O”15”; -- 八进制数数组，等效 B”001101” ，位矢量组长度是 6 X”AD0”; -- 十六进制数数组，等效 B”101011010000” ，位矢量组长度是 1

2 B 、 O 、 X 分别是二进制、八进制、十六进制基数符号。3. 标识符 标识符是用户给常量、变量、信号、端口、子程序或参数定义的名字。标

识符的命名规则是：以字母开头，后跟若干字母、数字或单个下划线构成，但最后不能为下划线。

例： h_adder, mux21, example 为合法标识符； 2adder, _mux21, ful__adder, adder_ 为错误的标识符。4. 下标名 下标名用于指示数组型变量或信号的某一元素。下标名的格式为：标识符（表达式）例： b(3), a(m) 都是下标名。

5. 段名段名是多个下标名的组合。段名的格式为：标识符（表达式 方向 表达式）例：D(7 DOWNTTO 0); -- 可表示数据总线 D7—D

0

D(0 TO 7); -- 可表示数据总线 D0—D7

3.2.2 VHDL 数据对象 VHDL 数据对象包括变量、常量和信号。1. 变量 变量 (VARIABLE) 是一个局部量。只能在进程 (PROCESS) 、函数 (F

UNCTION) 和过程 (PROCEDURE) 中声明和使用。变量不能将信息带出对它定义的当前设计单元。变量赋值的数据传输是立即发生的，不存在延时。

变量要声明后才能使用，变量声明的语法格式为： VARIABLE 变量名：数据类型 [ ： = 初始值 ] ；例： VARIABLE a:INTEGER; --a 为整型变量 VARIABLE b:INTEGER:=2; --b 赋初值 2 变量赋值语句的语法格式为： 目标变量名： = 表达式例： VARIABLE a,b:BIT_VECTOR(0 TO 7); VARIABLE x,y:INTEGER; x:=100; a:=“1010101” y:=15+x; a(3 TO 6):=(‘1’,’1’,’0’,’1’); a(0 TO 5):=b(2 TO 7);

2. 信号 信号是描述硬件系统的基本数据对象。不仅可以容纳当前值，也可以

保持历史值，类似于连线。信号声明语句的语法格式为：SIGNAL 信号名：数据类型 [ ： = 初值 ] ；SIGNAL temp:STD_LOGIC:=0; --temp 为标准逻辑位信号 初值为 0SIGNAL flaga,flagb:BIT; --flaga,flagb 为位信号SIGNAL data:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); --data 为标准逻辑位矢量，矢量长度为 16信号的赋值语句格式为：目标信号名 <= 表达式例： x<=9; z<=x AFTER 5ns; -- 目标信号需要一定延迟时间，设置延迟 5ns信号与变量是有区别的。变量在进程、函数和过程中声明，信号在结构体中

声明。变量用“ :=” 号赋值，无延迟时间，而信号用“ <=” 赋值，赋值过程有延迟时间。信号赋初值的符号是“ :=” 。

3. 常数常数的声明格式为：CONSTANT 常数名：数据类型： = 初值；例： CONSTANT fbus:BIT_VECTOR:=“010111”; CONSTANT Vcc:REAL:=5.0; CONSTANT delay:TIME:25ns;3.2.3 VHDL 数据类型1.BOOLEAN( 布尔 ) 数据类型 FALSE （假）和 TRUE （真），以枚举类型预定义，定义语句为： TYPE BOOLEAN IS (FALSE,TRUE);2.BIT （位）数据类型 位数据类型包括‘ 0’ 和’ 1’ ，定义语句为： TYPE BIT IS (‘0’,’1’);3.BIT_VECTOR 位矢量是用双引号括起来的数字序列，如“ 0011” ， X”00FD” 等。定义语句

为： TYPE BIT_VECTOR IS ARRAY (Natural Range<>) OF BIT;其中， <> 表示数据范围未定界。在使用位矢量时，必须注明位宽，例如： SIGNAL a:BIT_VECTOR (7 DOWNTO 0);4.CHARACTER （字符）数据类型 字符是用单引号括起来的 ASCII 码字符，如‘ A’ ，‘ a’ ，定义语句为： Z TYPE CHARACTER IS (NUL,SOH,…);

5.INTEGER （整数）数据类型整数包括正整数、负整数和零。整数是 32 位的带符号数。6.NATURAL （自然数）和 POSITIVE （正整数）数据类型自然数是整数的一个子集，包括 0 和正整数。7.REAL （实数）数据类型实数由正、负、小数点和数字组成，例如， -1.0,+2.5,-1.0E38 都是实数。8.STRING （字符串）数据类型字符串是用双引号括起来的字符序列，也称字符串矢量或字符串数组。

例如，” A BOY.”,”1010011” 等是字符串。9.TIME （时间）数据类型时间是物理量数据，由整数数据和单位两部分组成。定义语句为：TYPE TIME IS RANGE -2147483647 TO 2147483647

3.2.5 IEEE 预定义的标准逻辑位和矢量1.STD_LOGIC （标准逻辑位）数据类型 在 VHDL 中，标准逻辑位数据有九种逻辑值： ‘ U’ （未初始化

的）、 ‘ X’ （强未知的）、 ‘ 0’ （强 0 ）、 ‘ 1’ （强 1 ）、 ‘ Z’（高阻态）、 ‘ W’ （弱未知的）、 ‘ L’ （弱 0 ）、 ‘ H’ （弱 1 ）和’ -’ （忽略）。它们在 STD_LOGIC_1164 程序包中的定义语句：

TYPE STD_LOGIC IS (‘U’,’X’,’0’,’1’,’Z’,’W’,’L’,’H’,’-’);

注意： STD_LOGIC 数据类型中的数据是用大写字母定义的。2. STD_LOGIC_VECTOR （标准逻辑矢量）数据类型 标准逻辑矢量数据在数字电路中常用于表示总线。它们在 STD_LO

GIC_1164 程序包中的定义语句：TYPE STD_LOGIC_VECTOR IS ARRAY(Natural Range <>) OF STD_L

OGIC;

3.2.6 VHDL 操作符 VHDL 的操作符包括逻辑操作符 (Logic Operator) 、关系操作符 (Relational

Operator) 、算术操作符 (Arithmetic Operator) 和符号操作符 (Sign Operator) 四类。 类型 操作符 功能 操作数数据类型

算术操作符

+ 加 整数

- 减 整数& 并 一维数组

* 乘 整数和实数/ 除 整数和实数MOD 取模 整数

REM 求余 整数SLL 逻辑左移 BIT 或布尔型一维数组SRL 逻辑右移 BIT 或布尔型一维数组

SLA 算术左移 BIT 或布尔型一维数组SRA 算术右移 BIT 或布尔型一维数组

ROL 逻辑循环左移 BIT 或布尔型一维数组ROR 逻辑循环右移 BIT 或布尔型一维数组** 乘方 整数

ABS 取绝对值 整数

类型 操作符 功能 操作数数据类型关系操作符

= 等于 任何数据类型/= 不等于 任何数据类型< 小于 枚举与整数及对应的一维数组> 大于 枚举与整数及对应的一维数组<= 小于等于 枚举与整数及对应的一维数组>= 大于等于 枚举与整数及对应的一维数组

逻辑操作符

AND 与 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

OR 或 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

NAND 与非 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

NOR 或非 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

XOR 异或 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

NXOR 异或非 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

NOT 非 BIT 、 BOOLEAN 、 STD_LOGIC

符号操作符

+ 正 整数- 负 整数

注意：（ 1 ）要遵循在基本操作符间操作数是同数据类型的规则。（ 2 ）要遵循操作数的数据类型必须与操作符要求的数据类

型完全一致。（ 3 ）包含多种操作符的表达式中，需要用括号将这些运算

分组。例如 (a OR b)XOR c（ 4 ）在 VHDL 中有并置运算操作符“ &” ，它用来完成一维数组的位扩展。例如，将一维数组 s1 ， s2扩展为二维数组的语句是： s<=s1&s2 。

3.3 VHDL 的顺序语句 VHDL 的基本描述语句包括顺序语句 (Sequential S

tatements) 和并行语句 (Concurrent Statements) 。 顺序语句只能出现在进程 (PROCESS) 、过程 (PROC

EDURE) 和函数 (FUNCTION) 中，按照程序书写的顺序自上而下、一条一条地执行。顺序语句可以描述数字逻辑系统中的组合逻辑电路和时序逻辑电路。

VHDL 的顺序语句有赋值语句、流程控制语句、等待语句、子程序调用语句、返回语句和空操作语句等六类。

3.3.1 赋值语句1. 变量赋值语句变量赋值语句的格式为：目标变量名 := 赋值源（表达式）例如 x:=5.0 。2. 信号赋值语句信号赋值语句的格式为：目标信号名 <= 赋值源例如 y<=‘1’ 。 信号赋值语句可以出现在进程或结构体中，若出现在进程或子程序中

则是顺序语句，若出现在结构体中则是并行语句。 对于数组元素赋值，可以采用下列格式： SIGNAL a,b:STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 4); a<=“1101” -- 为信号 a 整体赋值 a(1 TO 2)<=“10”; -- 为信号 a 中的部分位赋值 a(1 TO 2)<=b(2 TO 3);

3.3.2 流程控制语句 流程控制语句有 IF 语句、

CASE 语句、 LOOP 语句、NEXT 语句和 EXIT 语句五种。

1.IF 语句格式 1 为： IF 条件句 Then

顺序语句； END IF;

格式 2 为： IF 条件句 Then

顺序语句； ELSE

顺序语句； END IF;

格式 3 为： IF 条件句 Then 顺序语句； ELSEIF 条件句 Then 顺序语句； … ELSE 顺序语句； END IF;

IF 语句中至少应有 1 个条件语句，条件句必须由 BOOLEAN 表达式构成。 IF语句根据条件句产生的判断结果 TRUE 或FALSE ，有条件的选择执行其后的顺序语句。

例：图示硬件电路的 VHDL 语言描述：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY control1 ISPORT( a,b,c:IN BOOLEAN; y:OUT BOOLEAN);END control1;ARCHITECTURE example5 OF control1 IS BEGIN PROCESS(a,b,c) VARIABLE n:BOOLEAN; BEGIN IF a THEN n:=b; ELSE n:=c; END IF; y<=n; END PROCESS;END example5;

Y=a’c+ab

输入 输出

a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 y2 y1 y0

x x x x x x x 0

x x x x x x 0 1

x x x x x 0 1 1

x x x x 0 1 1 1

x x x 0 1 1 1 1

x x 0 1 1 1 1 1

x 0 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1

1 1 0

1 0 1

1 0 0

0 1 1

0 1 0

0 0 1

0 0 0

例： 8 线 -3 线优先编码器的设计。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY coder ISPORT( a:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0));END coder;ARCHITECTURE example6 OF coder IS BEGIN PROCESS(a) BEGIN IF (a(7)=‘0’) THEN y<=“111”; ELSEIF (a(7)=‘0’) THEN y<=“111”; ELSEIF (a(6)=‘0’) THEN y<=“110”; ELSEIF (a(5)=‘0’) THEN y<=“101”; ELSEIF (a(4)=‘0’) THEN y<=“100”; ELSEIF (a(3)=‘0’) THEN y<=“011”; ELSEIF (a(2)=‘0’) THEN y<=“010”; ELSEIF (a(1)=‘0’) THEN y<=“001”; ELSEIF (a(0)=‘0’) THEN y<=“000”; ELSE y<=“000”; END IF; END PROCESS;END example6;

2.CASE 语句用 CASE 语句描述 4 选 1 数据选择器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY mux41 ISPORT( s1,s2:IN STD_LOGIC; a,b,c,d:IN STD_LOGIC; z:OUT STD_LOGIC);END mux41;ARCHITECTURE example7 OF mux41 ISSIGNAL s: STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN s<=s1&s2; -- 将 s1 和 s2 合并为 s PROCESS(s1,s2,a,b,c,d) BEGIN CASE s IS WHEN”00”=>z<=a; WHEN”01”=>z<=b; WHEN”10”=>z<=c; WHEN”11”=>z<=d; --条件句中的” =>” 不是操作符，起到“ THEN” 的作用。 WHEN OTHERS=>z<=‘X’; -- 当 s 的值不是选择值时， z 做未知处理 END CASE; END PROCESS;END example7;

s1 s2 z

0 0

0 1

1 0

1 1

a

b

c

d

3.LOOP 语句 LOOP 是循环语句，可以使一组顺序语句重复执行，执行的次数由设定的循环参数确

定。 LOOP 语句有 3 种格式，每种格式都可以用“标号”来给语句定位，但也可以不使用，用方括号将“标号”括起来，表示它为任选项。

（ 1 ） FOR_LOOP 语句例： 8 位奇偶校验器的描述LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY p_check ISPORT( a:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y:OUT STD_LOGIC);END p_check ;ARCHITECTURE example8 OF p_check IS BEGIN PROCESS(a) VARIABLE temp:STD_LOGIC; BEGIN temp:=‘0’; FOR n IN 0 TO 7 LOOP temp:=temp XOR a(n); END LOOP; y<=temp; END PROCESS;END example8;

(2)WHILE_LOOP 语句LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY p_check_1 ISPORT( a:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y:OUT STD_LOGIC);END p_check_1 ;ARCHITECTURE example8 OF p_check IS BEGIN PROCESS(a) VARIABLE temp:STD_LOGIC; VARIABLE n:INTEGER; BEGIN temp:=‘0’; n:=0; WHILE n<8 LOOP temp:=temp XOR a(n); n:=n+1; END LOOP; y<=temp; END PROCESS;END example8;

• 1 ．时钟信号的 VHDL 描述• 时钟信号的描述如图 8.3 所示，时钟上升沿和下降沿的到来表示发

生了一个事件，用 cp’EVENT 表示，时钟的边沿变化可以用条件语句描述。例如：

• 时钟上升沿的到来可以写为“ IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN” ；• 时钟下降沿的到来可以写为“ IF CLK'EVENT AND CLK='0'THEN” 。• 也可以写做：• 时钟上升沿“ IF CLK=’1’AND CLK’LAST_VALUE=’0’ AND CLK’E

VENT” ；• 时钟下降沿“ IF CLK=’0’AND CLK’LAST_VALUE=’1’ AND CLK’E

VENT” 。

• 图 8.3 时钟脉冲的 VHDL 描述

• 2 ．时序逻辑电路的 VHDL 描述• 例 8.14 带有异步复位、置位端的上升沿触发的 D触发器。• LIBRARY IEEE;• USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;• ENTITY DFF IS• PORT( CLK,D,SET,RESET: IN BIT;• Q: OUT BIT);• END DFF;• ARCHITECTURE ONE OF DFF IS• BEGIN• PROCESS(CLK,SET,RESET)• BEGIN• IF SET='0' THEN Q<='1';• ELSIF RESET='0' THEN Q<='0';• ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN• Q<=D; • END IF;• END PROCESS;• END ARCHITECTURE ONE;

• 例 8.15 4 位双向移位寄存器的 VHDL 程序，具有 4 种工作方式：数据保持、左移、右移和并行输入。

• LIBRARY IEEE;• USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;• ENTITY reg4 IS• PORT( clk: IN BIT;• din:IN BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); -- 并行输入数据• sin: IN BIT; -- 串行输入数据• mode:IN INTEGER RANGE 0 TO 3; • -- 工作模式为 0 保持， 1 右移， 2 左移， 3

并入• Q: OUT BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0)); • -- 寄存器并行输出• END reg4;

• ARCHITECTURE ONE OF reg4 IS• SIGNAL FF:BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0);• BEGIN• PROCESS(CLK)• BEGIN• IF clk'EVENT AND clk='1'THEN• CASE mode IS• WHEN 0=>FF<=FF; -- 保持数据• WHEN 1=>FF(2 DOWNTO 0)<=FF(3 DOWNTO 1); -- 右移• FF(3)<=sin;• WHEN 2=>FF(3 DOWNTO 1)<=FF(2 DOWNTO 0); -- 左移• FF(0)<=sin;• WHEN OTHERS=>FF<=din; -- 并行输入• END CASE; • END IF;• END PROCESS;• Q<=FF; -- 寄存器输出更新• END ARCHITECTURE ONE;

互动抢答1 、 VHDL 程序应包括三个基本组成部分，哪三个？

说出名称和意义。 19页2 、 COMPONENT h_adder 这个语句是什么含意？

作用？ 14页3 、实体 (ENTITY) 是什么？由哪两部分组成？ 22页4 、实体声明包含哪两部分？哪一个在前面？ 23页5 、结构体由几部分组成？功能是什么？在同一个实

体中可以包含多个结构体吗？ 22 、 29页

互动抢答1 、打开 bpac1 程序包的语句是什么？放在程序的什么位置？2 、变量一个全局量，正确吗？能够在哪里声明和使用？ 48页3 、信号描述的是什么？类似于 Verilog HDL 语言中哪个量？信号与变

量区别是什么？ 49页4 、 BIT 数据类型和 BIT_VECTOR 区别是什么？ 50页5 、算术操作符、关系操作符和逻辑操作符对数据类型的要求有什么不

同？6 、 VHDL 的顺序语句只能出现在什么 ---- 中？顺序语句可以描述数字

逻辑系统中 ---- 逻辑电路？ VHDL 的顺序语句有哪六类？ 56页

3.7 VHDL 设计流程