2023年VHDL 编程的一些心得体会.docx

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1、2023年VHDL 编程的一些心得体会 VHDL 编程的一些心得体会(转) VHDL 是由美国国防部为描述电子电路所开发的一种语言，其全称为(Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language。 与另外一门硬件描述语言 Verilog HDL 相比，VHDL 更善于描述高层的一些设计，包括系统级（算法、数据通路、控制）和行为级（寄存器传输级），而且 VHDL 具有设计重用、大型设计能力、可读性强、易于编译等优点逐渐受到硬件设计者的青睐。但是，VHDL 是一门语法相当严格的语言，易学性差，特别是对于刚开始接触 VHD

2、L 的设计者而言，经常会因某些小细节处理不当导致综合无法通过。为此本文就其中一些比较典型的问题展开探讨，希望对初学者有所帮助，提高学习进度。 一关于端口 VHDL 共定义了 5 种类型的端口，分别是 In, Out,Inout, Buffer及 Linkage，实际设计时只会用到前四种。In 和 Out 端口的使用相对简单。这里，我们主要讲述关于 buffer和inout 使用时的注意事项。 与 Out 端口比，Buffer 端口具有回读功能，也即内部反馈，但在设计时最好不要使用 buffer，因为 buffer类型的端口不能连接到其他类型的端口上，无法把包含该类型端口的设计作为子模块元件例化

3、，不利于大型设计和程序的可读性。若设计时需要实现某个输出的回读功能，可以通过增加中间信号作为缓冲，由该信号完成回读功能。 双向端口 Inout 是四种端口类型中最为特殊的一种，最难以学习和掌握，为此专门提供一个简单程序进行阐述,部分程序如下： . DataB (others=Z); Dout ( others=1 ); 程序中 DataB 为双向端口，编程时应注意的是，当 DataB 作为输出且空闲时，必须将其设为高阻态挂起，即有类似第行的语句，否则实现后会造成端口死锁。而当 DataB 作为有效输入时， DataB 输出必须处于高阻态，对于该例子中即，当 CE=1 and Rd=1时， 二信

4、号和变量 常数、信号和变量是 VHDL 中最主要的对象，分别代表一定的物理意义。常数对应于数字电路中的电源或地；信号对应某条硬件连线；变量通常指临时数据的局部存储。信号和变量功能相近，用法上却有很大不同。 表 1信号与变量主要区别 信 号变量 赋值延迟至少有延时无，立即变化 相关信息有，可以形成波形无，只有当前值进程敏 感是否全局性具有全局性，可存在于多个进程中只能在某个进程或子程序中有效相互赋值关系信号不能给变量赋值变量可以给信号赋值 对于变量赋值操作无延迟，初学者认为这个特性对 VHDL 设计非常有利，但这只是理论上的。基于以下几点原因，我们建议，编程时还是应以信号为主，尽量减少变量的使用

5、。 （1）变量赋值无延时是针对进程运行而言的，只是一个理想值，对于变量的操作往往被综合成为组合逻辑的形式，而硬件上的组合逻辑必然存在输入到输出延时。当进程内关于变量的操作越多，其组合逻辑就会变得越大越复杂。假设在一个进程内，有关于变量的 3 个级连操作，其输出延时分别为 5ns,6ns,7ns,则其最快的时钟只能达到 18ns。相反，采用信号编程，在时钟控制下，往往综合成触发器的形式，特别是对于 FPGA 芯片而言，具有丰富的触发器结构，易形成流水作业，其时钟频率只受控于延时最大的那一级，而不会与变量一样层层累积。假设某个设计为 3 级流水作业，其每一级延时分别为 10ns,11ns,12ns

6、,则其最快时钟可达 12ns。因此，采用信号反而更能提高设计的速度。 （2）由于变量不具备信息的相关性，只有当前值，因此也无法在仿真时观察其波形和状态改变情况，无法对设计的运行情况有效验证，而测试验证工作量往往会占到整个设计 7080的工作量，采用信号则不会存在这类问题。 （3）变量有效范围只能局限在单个进程或子程序中，要想将其值带出与其余进程、子模块之间相互作用，必须借助信号，这在一定程度上会造成代码不够简洁，可读性下降等缺点。 当然，变量也具有其特殊的优点，特别是用来描述一些复杂的算法，如图像处理，多维数组变换等。 三位（矢量）与逻辑（矢量） bit 或其矢量形式 bit_vector只有

7、0和1两种状态，数字电路中也只有0和1两种逻辑，因此会给初学者一个误区，认为采用位（矢量）则足够设计之用，而不必像std_logic那样出现X,U,W各种状态，增加编程难度。但实际情况却并非如此，以一个最简单 D型触发器设计为例 proce(clk) begin if clkevent and clk=1 then Q end if; end proce; 实际中 clk 对数据端 D的输入有一定的时间限制，即在 clk 上升沿附近（建立时间和保持时间之内），D必须保持稳定，否则 Q输出会出现亚稳态，如下图所示。 当 clk 和 D时序关系不满足时，由于 bit 只有0或1，系统只能随机的从0

8、和1中给 Q 输出，这样的结果显然是不可信的；而采用 std_logic 类型，则时序仿真时会输出为一个X，提醒用户建立保持时间存在问题，应重新安排 D和 clk 之间时序关系。 此外，对于双向总线设计（前面已提及）、FPGA/CPLD上电配置等问题，如果没有Z,X等状态，根本无法进行设计和有效验证。 四关于进程 进程（Proce）是 VHDL 中最为重要的部分，大部分设计都会用到 Proce 结构，因此掌握Proce 的使用显得尤为重要。以下是初学和使用 Proce 经常会出错的例子。 1.多余时钟的引入 在设计时往往会遇到这种情况，需要对外部某个输入信号进行判断，当其出现上跳或下跳沿时，执

9、行相应的操作，而该信号不像正常时钟那样具有固定占空比和周期，而是很随机，需要程序设计判断其上跳沿出现与否。这时，很容易写出如下程序： proce(Ctl_a) - Ctl_a即为该输入信号 begin if Ctl_aevent and Ctl_a=1 then ; -执行相应操作 end if ; end proce; 由于出现第行这类语句，综合工具自动默认 Ctl_a 为时钟，某些 FPGA 更会强行将该输入约束到时钟引脚上。而设计者的初衷只是想将其作为下位机的状态输入以进行判断。上面的程序容易造成多时钟现象，增加设计的难度。解决的办法可以如下，将 Ctl_a 增加一级状态 Ctl_are

10、g 寄存，通过对 Ctl_a 和Ctl_areg 状态判断上跳与否，改正程序如下： proce(clk) begin if clkevent and clk=1 then Ctl_areg if Ctl_areg=0 and Ctl_a=1 then-上跳判断 ; -执行相应操作 end if; end if; end proce; 程序中第行用以产生两个相邻状态，第行对前后状态进行判断是否有上跳现 象发生。其中，需注意的是 clk 的时钟频率应明显快于 Ctl_a信号的变化频率，以保证正确采样。 2.输出多驱动 误用 Proce经常会引起输出多驱动源的发生，即在两个以上的进程内对同一信号赋值

11、操作。 以下程序就出现了这类情况： Proc_a: proce(clk) begin if clkevent and clk=1 then Dout end if end proce; Proc_b:proce(sel_en) begin if sel_en=1 then Dout end if; end proce; 进程 Proc_a 和 Proc_b 中都出现了对 Dout 的赋值语句，设计者原本的想法是，只要合理控制好 clk 和 sel_en 输入，使其不发生冲突，即 clk上升沿时 sel_en 不为1；sel_en 为1时，不出现 clk 的上升沿，这样 Proc_a，Proc_

12、b 两个进程就不会发生冲突。但综合时，综合工具会将所有可能情况全部罗列进去，包括第行和第行同时成立的情况，此时对于 Dout就有 Din_A和 Din_B 两个输入驱动，Dout 不知接收哪一个，因此该程序无法综合，改正的方法是只要将两个进程合并成一个即可。 由于进程在 VHDL 中的重要性，对此专门做了一个总结如下： （1）一个进程中不允许出现两个时钟沿触发，（Xilinx 公司 CoolRunner 系列 CPLD 支持单个时双钟的双触发沿除外） （2）对同一信号赋值的语句应出现在单个进程内，不要在时钟沿之后加上 else 语句，如 if clkevent and clk=1 then -

13、 else的结构，现有综合工具支持不了这种特殊的触发器结构 （3）当出现多层 IF语句嵌套时，最好采用 CASE 语句替代，一是减少多层嵌套带来的延时，二来可以增强程序的可读性 （4）顺序语句如 IF语句、CASE 语句、LOOP 语句、变量赋值语句等必须出现在进程、函数或子程序内部，而不能单独出现在进程之外 （5）进程内部是顺序执行的，进程之间是并行运行的；VHDL 中的所有并行语句都可以理解为特殊的进程，只是不以 Proce结构出现，其输入信号和判断信号就是隐含的敏感表 五关于 VHDL 学习中的几点说明 与软件语言相比，VHDL 最重要的特点就在于它的并行运行特性，当设计好的电路上电后，

14、器件内部所有信号将同时并发工作，而不会以软件方式按照 程序顺序执行，即使在进程内部也是趋向并行工作的。例如以下程序： proce(clk) begin if clkevent and clk=1 then end if; end proce; 综合的结果两个独立的 D 型触发器，虽然进程内部应按顺序执行，但是硬件实现后，只要采样到时钟上升沿，和 状态会同时翻转，而不会先执行的变化，然后才会去执行的转变。因此，VHDL 学习过程中，应加强硬件概念的理解，没有硬件概念或是硬件概念不强，在设计时，往往会将 VHDL 设计以软件编程的方式来处理，而得出一些不可思议的结果。 作为一门硬件描述语言，VHD

15、L 几乎可以用来描述现有的大型系统数字电路、算法以及其它设计。但是，限于目前综合工具的水平，VHDL 中的许多语法还不能支持，例如： dout 综合时就无法达到如此精度，因此这条语句主要用来编写测试激励，而很少出现在设计实体中。类似的情况还有很多，目前 VHDL 设计使用的也只是整个标准中的一部分，这也正是VHDL 的“可综合子集”性质，它一定程度上限制了 VHDL 的广泛应用，但是随着综合技术的发展，这种情况会逐渐得以改善，VHDL 也将在各个领域中发挥出愈来愈重要的作用 VHDL 编程的一些心得体会 VHDL 编程的一些心得体会 听课的一些心得体会 我的一些心得体会 柔道的一些心得体会 柔道的一些心得体会 外语学习的一些心得体会 一些学习德语的心得体会 教育孩子的一些心得体会 学习过程的一些心得体会