第四章 VHDL 语言元素 4.1 VHDL 语言的客体

4.2 VHDL 语言的数据类型 4.3 VHDL 数据类型转换

4.4 VHDL 词法规则与标识符

4.1 VHDL 语言的客体 VHDL 语言中，可以赋予一个质的对象就称为客体。客体主要包括以下三种：变量（ VARIABLE ）、常量（ CO

NSTANT ）、信号（ SIGNAL ）。 4.1.1 常量（ CONSTANT ） ( 常数 )

定义一个常数主要是为了使设计实体中的某些量易于阅读和修改。常数说明就是对某一常数名赋予一个固定的值。通常在程序开始前进行赋值，该值的数据类型在说明语句中说明。

常数说明语句格式为：

CONSTANT 常数名：数据类型 := 表达式；

例如：

CONSTANT Vcc : REAL := 5.0;

CONSTANT Fbus : BIT_VECTOR := “1011” ；

CONSTANT Delay : TIME := 10ns ；

注 : 常量是一个恒定不变的值，一旦做了数据类型和赋值定义，它在程序中就不能再改变。

4.1.2 变量（ VARIABLE ）变量只能在进程和子程序中用，是一个局部量，不能将信息带出对它做出定义的当前设计单元。与信号不同，变量的赋值是理想化数据传输，其赋值是立即生效的，不存在任何的延时行为。

变量定义语句的格式为：

VARIABLE 变量名 : 数据类型 : 约束条件 := 初始值；

例如：

VARIABLE n: INTEGER RANGE 0 TO 15 := 2;

VARIABLE a: INTEGER;

变量赋值语句的格式为：

目标变量名 := 表达式；

赋值语句 “ :=” 右边的表达式必须与目标变量具有相同的数据类型，这个表达式可以是一个运算表达式也可以是一个数值。变量赋值语句左边的目标变量可以是单值变量，也可以是变量的集合。

例如定义变量：VARIABLE x ， y : REAL ；VARIABLE a ， b : BIT_VECTOR （ 0 TO 7 ）；x:=100.0y:=1.5+xa:=b;a:=“1010101”;a(3 to 6):=(‘1’,’1’,’0’,’1’);a(0 to 5):=b(2 to 7);a(7):=‘0’;

4.1.3 信号（ SIGNAL ）

信号是电子电路内部硬件连接的抽象。它可以作为设计实体中的并行语句模块间交流信息的通道。信号及其相关的延时语句明显地体现了硬件系统的特征。

信号定义语句的格式为：

SIGNAL 信号名：数据类型：约束条件 := 初始值；

例如：

SIGNAL gnd ： BIT := ‘0’ ；

SIGNAL data ： STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);

信号赋值语句表达式为：

目标信号名 <= 　表达式；

符号 “ <=” 表示赋值操作，即将数据信息传入。数据信息传入时可以设置延时过程，这与器件的实际传播延时十分接近。因此信号值的代入采用“ <=” 代入符，而不是像变量赋值时那样用“ : ＝”。但信号定义时初始赋值符号“ : ＝”，即仿真的时间坐标是从赋初始值开始的。

信号赋值语句举例：

x <= y;

a <= ‘1’ ；

s1 <= s2 AFTER 10 ns ；

注意 : 变量和信号都必须先定义 , 后赋值。注意赋值符“ <=” 和 “ : ＝”的差别。

信号与变量的区别：

信号和变量是 VHDL 中重要的客体，他们之间的主要区别有：

· 信号赋值至少要有 δ 延时；而变量赋值没有。

· 信号除当前值外有许多相关的信息，如历史信息和投影波形；而变量只有当前值。

· 进程对信号敏感而不对变量敏感。

· 信号可以是多个进程的全局信号；而变量只在定义他们的顺序域可见（共享变量除外）。

· 信号是硬件中连线的抽象描述，他们的功能是保存变化的数据值和连接子元件，信号在元件的端口连接元件。变量在硬件中没有类似的对应关系，他们用于硬件特性的高层次建模所需要的计算中。

4.2 VHDL语言的数据类型 在对 VHDL 的客体进行定义时，都要指定其数据类型。VHDL 有多种标准的数据类型，并且允许用户自定义数据类型。在 VHDL 语言语义约束中，对类型的要求反映在赋值语句的目标与源的一致，表达式中操作的一致，子类型中约束与类型的一致等许多方面。

4.2.1 VHDL 中预定义的数据类型（编程者可直接使用）

预定义类型在 VHDL 标准程序包 STANDARD 中定义，在应用中自动包含进 VHDL 的源文件，不需要 USE 语句显示调用。数据类型说明如下。

1.整数（ INTEGER ）

整数与数学中整数的定义相似，可以使用预定义运算操作符，如加“＋”、减“－”、乘“ ×” 、除“ ÷” 进行算术运算。在 VHDL 语言中，整数的表示范围为－ 2147483647～ 2147483647 ，即从－ (231－ 1)到 (231－ 1) 。

2. 实数（ REAL ）

在进行算法研究或实验时，作为对硬件方案的抽象手段，常常采用实数四则运算。实数的定义值范围为－ 1.0E+38～ +1.0E+38 。实数有正负数，书写时一定要有小数点。例如：－ 1.0 ， +2.5 ，－ 1.0E+38

3.位（ BIT ）

用来表示数字系统中的信号值。位值用字符‘ 0’或者‘ 1’（将值放在引号中）表示。与整数中的 1 和 0 不同，‘ 1’和‘ 0’仅仅表示一个位的两种取值。

位数据可以用来描述数字系统中总线的值。位数据不同于布尔数据，可以用转换函数进行转换。

4.位矢量（ BIT_VECTOR ）

位矢量是用双引号括起来的一组数据。例如：“ 001100” ，X“00bb” 。在这里位矢量前面的 X 表示是十六进制。用位矢量数据表示总线状态最形象也最方便，在 VHDL 程序中将会经常遇到。使用位矢量时必须注明位宽，即数组中元素个数和排列，例如：

SIGNAL s1 ： BIT_VECTOR （ 15 DOWNTO 0 ）；

5.布尔量（ BOOLEAN ）

一个布尔量具有两种状态，“真”或者“假”。虽然布尔量也是二值枚举量，但它和位不同没有数值的含义，也不能进行算术运算。它能进行关系运算。例如，它可以在 if 语句中被测试，测试结果产生一个布尔量 TRUE或者 FALSE 。

6.字符（ CHARACTER ）

字符也是一种数据类型，所定义的字符量通常用单引号括起来，如‘ a’ 。一般情况下 VHDL 对大小写不敏感，但对字符量中的大小写则认为是不一样的。例如，‘ B’ 不同于‘ b’ 。字符量中的字符可以是从 a到 z 中的任一个字母，从 0到 9 中的任一个数以及空格或者特殊字符，如 $ ， @ ， %等等。包集合 standard 中给出了预定义的 128 个 ASCⅡ码字符，不能打印的用标识符给出。字符‘ 1’ 与整数 1 和实数 1.0 都是不相同的，当要明确指出 1 的字符数据 时，则可写为： CHARACTER （ ‘ 1’ ）。

7.字符串（ STRING ）

字符串是由双引号括起来的一个字符序列，也称字符矢量或字符串组。字符串常用于程序的提示和说明。字符串举例如下：

VATIABLE string_1 : STRING (0TO 3);

┇

string_1:= “a b c d”;

8. 时间（ TIME ）

时间是一个物理量数据。完整的时间量数据应包含整数和单位两部分，而且整数和单位之间至少应留一个空格的位置。例如 55 sec ， 2 min等。在包集合 STANDARD 中给出了时间的预定义，其单位为 fs ， ps ， ns ， μs ， ms ， sec ， min 和 hr 。例如： 20 μs ， 100 ns ， 3 sec 。

在系统仿真时，时间数据特别有用，用它可以表示信号延时，从而使模型系统能更逼近实际系统的运行环境。

9.错误等级（ SEVERITY LEVEL ）

错误等级类型数据用来表征系统的状态，共有 4 种： note

（注意）， warning （警告）， error （出错）， failure

（失败）。在系统仿真过程中可以用这 4 种状态来提示系统当前的工作情况，从而使设计人员随时了解当前系统工作的情况，并根据系统的不同状态采取相应的对策。

10.大于等于零的整数（自然数）（ NATURAL ），正整数（ POSITIVE ）

这两种数据是整数的子类， NATURAL 类数据为取 0 和 0 以上的正整数；而 POSITIVE 则只能为正整数。

上述 10 种数据类型是 VHDL 语言中标准的数据类型，在编程时可以直接引用。如果用户需使用这 1

0 种以外的数据类型，则必须进行自定义。但大多数的 CAD厂商已在包集合中对标准数据类型进行了扩展。例如，数组型数据等，请同学们注意。

4.2.2 用户自定义的数据类型

可以由用户定义的数据类型有：

·枚举（ ENUMERATED ）类型；

·整数（ INTEGER ）类型；

· 实数（ REAL ）、浮点数（ FLOATING ）类型；

· 数组（ ARRAY ）类型；

· 存取（ ACCESS ）类型；

·文件（ FILE ）类型；

·记录（ RECORDE ）类型；

· 时间（ TIME ）类型（物理类型）。

4.2.3 IEEE预定义标准 1. 标准逻辑位 STD_LOGIC 数据类型IEEE‘93增加了多值逻辑包 STD_LOGIC_1164 ，使得“ STD_LOGIC”数据具有 9 种不同的值。其定义如下所示：

TYPE STD_LOGIC IS （

‘U’ ， - - 初始值

‘X’ ， - - 不定

‘0’ ， - - 0

‘1’ ， - - 1

‘Z’ ， - - 高阻

‘W’ ， - - 弱信号不定

‘L’ ， - - 弱信号 0

‘H’ ， - - 弱信号 1

‘—’ - - 不可能情况

）；

2. 标准逻辑矢量 STD_LOGIC_VECTOR 数据类型在使用中 , 标准逻辑矢量数据类型的数据对象赋值时 , 必须考虑位矢的宽度 . 同位宽、同数据类型的矢量才能进行赋值。

例：… .

TYPE t_date IS ARRAY(7 DOWNTO 0)OF STD_LOGIC;

SIGNAL databus,memory:t_date;

VARIABLE rega:t_date;

…..

datebus<=rega;

….

datebus<=memory;….

4.2.4 枚举类型

枚举类型用特殊的字符来表示一组实际的二进制数 .

例如 :TYPE m_state IS( state1, state1 , state1 , state1)

SIGNAL present_state,next_state:m_state;

默认 state1 为’ 00’ state2 为’ 01’;…

4.2.5 数组类型数组可以是一维 , 也可以是多维 . 但是 VHDL 只支持一维数组 .

数组的元素可以是任意数据类型 .

TYPE 数组名 IS ARRY ( 数组范围 ) OF 数据类型

例 1: TYPE data_bus1 IS (7 DOWNTO 0) OF REAL;

TYPE data_bus2 IS (7 DOWNTO 0) OF STD_LOGIC;

TYPE data_bus3 IS (7 DOWNTO 0,X) OF STD_LOGIC;TYPE 数组名 IS ARRY(NATURAL RANGE<>)OF 数据类型 ;

例 2:TYPE date IS ARRY(NATURAL RANGE<>))OF BIT;

VARIABLE va:date(1 TO 6);

4.3 VHDL 数据类型转换

在 VHDL 程序设计中不同的数据类型的对象之间不能代入和运算。实现他们之间数据类型的转换有 3 种方法：

· 类型标记法；

·函数转换法；

· 常数转换法。

4.3.1 用函数进行类型转换

VHDL 语言中，程序包中提供了变换函数，这些程序包有 3 种，每个程序包中的变换函数不一样。现列表如下。

·STD_LOGIC_1164 包集合函数

函数 TO_ STDLOGICVECTOR （ A ）

由 BIT_VECTOR 转换为 STD_LOGIC_VECTOR

函数 TO_ BITVECTOR （ A ）

由 STD_LOGIC_VECTOR 转换为 BIT_VECTOR

函数 TO_ STDLOGIC （ A ） 由 BIT 转换为 STD_LOGIC

函数 TO_ BIT （ A ） 由 STD_LOGIC 转换为 BIT

.STD_LOGIC_ARITH 包集合函数

函数： CONV_STD_LOGIC_VECTOR (A,位长 )

由 UNSINGED ， SINGED 转换为 INTEGER STD_LOGIC_ UNSINGED 包集合

函数： CONV_INTEGER (A)

由 STD_LOGIC_VECTOR 转换为 INTEGER

·STD_LOGIC_ UNSINGED 包集合

函数： CONV_INTEGER (A)

由 INTEGER ， UNSINGED ， SINGED 转换为 STD_LOGIC_VECTOR

LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY qijian ISPORT(input:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); output:out STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));END qijian;ARCHITECTURE a OF qijian ISBEGINPROCESS(input)BEGINOutput<=(others=>’0’);Output (CONV_INTEGER(input))<=‘1’;END PROCESS;END a;

4.3.2 类型标记法实现类型转换类型标记就是类型的名称。类型标记法适合那些关系密切的标量类型之间的类型转换，即整数和实数的类型转换。

例如：

VARIABLE I ： INTEGER ；

VARIABLE R ： REAL ；

I := INTEGER （ R ）；

R := REAL （ I ）；

4.4 VHDL 操作符

与其他程序设计语言相似， VHDL 中的表达式也是由运算符将基本元素连接起来形成。这里的基本元素包括对象名、文字、函数调用及用括号括起来的表达式。

在 VHDL 语言中共有 4 类操作符，可以分别进行逻辑运算（ L

OGICAL ）、关系运算（ RELATIONAL ）、算术运算（ ARI

THMETIC ）和并置运算（ CONCATENATION ）。需要指出的是操作符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。另外，运算操作符是有优先级的，例如，逻辑运算符 not ，在所有操作符中优先级最高。

1.逻辑运算符在 VHDL 语言中，共有 6 种逻辑运算符，他们分别是：

NOT 取反；

AND 与；

OR 或；

NAND 与非；

NOR 或非；

XOR 异或。 这 6 种逻辑运算符可以对“ STD_LOGIC ” 和“ BIT”等逻辑型数据、“ STD_LOGIC _VECTOR”逻辑型数组及布尔数据进行逻辑运算。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。

例 :LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY yu ISPORT(a,b:IN STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 3); output:out STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 3));END yu;ARCHITECTURE a OF yu ISbeginOUTPUT<=a and b;end a;

2. 算术运算符VHDL 语言中有 5 类算术运算符，他们分别是：

·求和操作符： ＋（加）、－（减）

· 求积操作符 :* （乘）、 / （除）、 MOD （求模）、 REM（取余）

· 符号操作符： ＋（正）、－（负）

·混合操作符： ** （指数）、 ABS （取绝对值）

·移位操作符： SLL （逻辑左移）、 SRL （逻辑右移）、 SLA

（算术左移）、 SRA （算术右移）、 ROL （逻辑循环左移）、ROR逻辑循环右移）

例 : 利用移位操作符设计译码器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY yimaqi ISPORT(input:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); output:out bit_VECTOR(7 DOWNTO 0));END yimaqi;ARCHITECTURE a OF yimaqi ISbeginOUTPUT<="00000001" SLL CONV_INTEGER(INPUT)end a;

3. 关系运算符VHDL 语言中有 6 种关系运算符，他们分别是：

= 等于；

/= 不等于；

< 小于；

<= 小于等于；

> 大于；

>= 大于等于；

4. 并置运算符& 连接

SIGNAL g ， h ， i ： STD_LOGIC ；

SIGNAL c ， d ， e ： STD_LOGIC _VECTOR （ 1 TO 0 ）；

┇

d <= i & NOT h ； - - 元素与元素并置，形成长度为 2 的数组

a <= c & d ； - - 数组与数组并置，形成长度为 4 的数组

5.VHDL 操作符的优先顺序

运算符 优先级

NOT ， ABS ， ** 最高优先级

* ， / ， MOD ， REM

+ （正号），－（负号）

+ ，－， &

SLL ， SLA ， SRL ， SRA ， ROL ， ROR

= ， /= ， < ， > ， <= ， >=

AND ， OR ， NAND ， NOR ， XOR ， XNOR 最低优先级

4.5 VHDL 词法规则与标识符 4.5.1 词法规则

1.注释

为了提高 VHDL源程序的可读性，在 VHDL 中可以写入注释。注释以 - - 开头直到本行末尾的一段文字。在 MUX+PLUS

Ⅱ中可以看见，敲入 - - 之后，后面字体的颜色就发生改变。注释不是 VHDL 设计描述的一部分，编译后存入数据库中的信息不包含注释。

注释举例：

Q ： OUT STD_LOGIC _VECTOR （ 11 DOWNTO 0 ）； --A/D 转换数据输出显示（行注释）

--SRAM 数据写入控制状态机（段注释）

WRIT_STATE ： PROCESS （ clk ， rst ） --SRAM写入控制状态机时序电路进程

2.数字数字型文字可以有多种表达方式：可以是十进制数，也可以表示为二进制、八进制或十六进制等为基的数，可以是整数，也可以是含有小数点的浮点数。现举例如下。

· 十进制整数表示法：如

012 5 78_456 (=78456) 2E6

在相邻数字之间插入下划线，对十进制数值不产生影响，仅仅是为了提高文字的可读性。允许在数字之前冠以若干个 0 ，但不允许在数字之间存在空格。

· 以基表示的数：用这种方式表示的数由五个部分组成。第一部分，用十进制数标明数值进位的基数；第二部分，数值隔离符号“ #” ；第三部分，表达的文字；第四部分，指数隔离符号“ #” ；第五部分，用十进制表示的指数部分，这一部分的数如果为 0 可以省去不写。如

2#111_1011# 8#1473# 16#A8#E1 016#F.01#E+4

对以基表示的数而言，相邻数字间插入下划线不影响数值。基的最小数为 2 ，最大数为 16 ，以基表示的数中允许出现 A 至 F 的字母，大小写字母意义无区别。

· 实数：实数必须带有小数点。如

12.0 0.0 3.14 6_741_113.666 52.6 E－ 2

·物理量文字：综合器不支持物理量文字的综合。如

60 s （秒） 100 m （米） 177 A （安培）

3.字符和字符串

字符是用单引号引起来的 ASCⅡ字符，可以是数值，也可以是符号或字母，如

‘E’ ， ‘ e’ ， ‘ $’ ， ‘ 23’ ， ‘ A’…

字符串是一维的字符数组，需放在双引号中。有两种类型的字符串：文字字符串和位矢量字符串。

文字字符串是用双引号引起来的一串文字。如

“FALSE” ， “ X” ， “ THIS IS END”

位矢量字符串是被双引号引起来的扩展的数字序列，数字序列前冠以基数说明符。基数符有“ B” 、“ O” 、“ X” ，他们的含义如下。

B ：二进制基数符号，表示二进制位 0或 1 ，在字符串中每一个位表示一个 BIT 。

O ：八进制基数符号，在字符串中每一个数代表一个八进制数，即代表一个 3位（ BIT ）的二进制数。

X ：十六进制基数符号，代表一个十六进制数，即代表一个 4位二进制数。

例如：

B“1011_1111” ， O“152” ， X“F821”

4.下标名

下标名用于指示数组型变量或信号的某一元素。

SIGNAL a ， b ： BIT _VECTOR （ 0 TO 3 ）；

SIGNAL s ： INTEGER RANGE 0 TO 2 ；

SIGNAL x ， y ： BIT;

x <= a (s);

y <= b (3);

上例中， a (s) 为一下标语句， s 是不可计算的下标名，只能在特定情况下进行综合； b (3) 的下标为 3 ，可以进行综合。

4.5.2 标识符

标识符是最常用的操作符，可以是常数、变量、信号、端口、子程序或参数的名字。标识符规则是 VHDL 语言中符号书写的一般规则，为 EDA工具提供了标准的书写规范。 VHDL’93 对VHDL’87版本的标识符语法规则进行了扩展，通常称 VHDL’

87版本标识符为短标识符， VHDL’93版标识符为扩展标识符。

1.短标识符VHDL短标识符需遵守以下规则：

（ 1 ）必须以英文字母开头；

（ 2 ）英文字母、数字（ 0～ 9 ）和下划线都是有效的字符；

（ 3 ）短标识符不区分大小写；

（ 4 ）下划线（ _ ）的前后都必须有英文字母或数字。

一般的，在书写程序时，应将 VHDL 的保留字大写或黑体，设计者自己定义的字符小写，以使得程序便于阅读和检查。尽管 VHDL 仿真综合时不区分大小写，但一个优秀的硬件程序设计师应该养成良好的习惯。

例：

一些合法的标识符：

S_MACHINE ， present_state ， sig3

不合法的标识符：

present-state ， 3states ， cons_,_now

2.扩展标识符扩展标识符的识别和书写有下面的规则：

（ 1 ）用反斜杠来界定扩展标识符，如 \control_machine\ ， \s_block\ 等都是合法的扩展标识符；

（ 2 ）扩展标识符允许包含图形符号和空格，如 \s&33\ ， \legal$state\ 是合法的扩展标识符；

（ 3 ）两个反斜杠之间的字可以和保留字相同，如 \SIGNAL\ ， \ENTITY\ 是合法的标识符，与 SIGNAL 、 ENTITY 是不同的；

（ 4 ）两个反斜杠之间的标识符可以用数字开头，如 \15BIT\ ， \5ns\ 是合法的；

（ 5 ）扩展标识符是区分大小写的，如 \a\ 与 \ A\ 是不同的标识符；

（ 6 ）扩展标识符允许多个下划线相邻，如 \our_ _entity\ 是合法的扩展标识符（不推荐这种方式）；

（ 7 ）扩展标识符的名字中如果含有一个反斜杠，则用相邻的两个反斜杠来代表它，如 \te\\xe\ 表示该扩展标识符的名字为 te\xe （共 5 个字符）；