硬件描述语言第二讲.ppt

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1、硬件描述语言及器件 教材：任勇峰等编著VHDL与硬件实现速成 主讲教师：刘文怡08/09学年第1学期教学安排n第1讲：VHDL概述及其开发环境 n第2讲：VHDL的基本元素 n第3讲：VHDL的进程 n第4讲：其它并行语句 n第5讲：VHDL实例剖析 n第6讲：VHDL的顺序描述语句 n第7讲：结构体的描述风格 n第8讲：计数器和状态机 n第9讲：不同风格的状态机举例 n第10讲：VHDL综合举例2008-092008.12第2讲：VHDL的基本元素 n1 标识符n2 数据对象n3 数据类型n4 操作符n5 端口模式2008-092008.121 标识符n标识符规则是VHDL语言中符号书写的一

2、般规则。不仅对电子系统设计工程师是一个约束，同时也为各种各样的EDA工具提供了标准的书写规范，使之在综合仿真过程中不生产生歧义，易于仿真。nVHDL语 言 有 两 个 标 准 版：VHDL87版 和 VHDL93版。VHDL87版的标识符语法规则经过扩展后，形成了VHDL93版的标识符语法规则。前一部分称为短标识符，扩展部分称为扩展标识符。VHDL93版含有短标识符和扩展标识符两部分。2008-092008.12短标识符(1)n 短标识符短标识符nVHDL的短标识符是遵守以下规则的字符序列：n(1)必须以英文字母打头。n(2)字符可以是大写、小写的数字(09)和下划线(_)。n(3)下划线前后

3、都必须有英文字母或数字。n(4)EEA工具综合、仿真时，短标识符不区分大小写。n一般地，对VHDL的保留字：ENTITY，ARCHITECTURE，END，BUS，USE，WHEN，WAIT，IS在程序书写时，一般要求大写或黑体，使得程序易于阅读，易于检查错误。2008-092008.12短标识符(2)n 下面是合法的标识符：n multi_screensn Multi_screensn Multi_Screensn MULTI_SCREENSn 下面的书写是不合法的：n illegal%name illegal-name illegal-name2008-092008.12扩展标识符n扩展标

4、识符是VHDL93版增加的标识符书写规则：n(1)扩展标识符用反斜杠来定界。nmulti_screens，eda_centrol等都是合法的扩展标识符。n(2)允许包含图形符号、空格符。例如：mode A,$100,p%name等。n(3)反斜杠之间的字符可以用保留字。例如：buffer,entity,end等。n(4)扩展标识符的界定符两个斜杠之间可以用数字打头。如：100$，2chip，4screens等。n(5)扩展标识符中允许多个下划线相连。例如：n Four_screens，TWO_Computer_sharptor等。n(6)扩展标识符区分大小写。例如:EDA 与eda不同。n(7

5、)扩展标识符与短标识符不同。例如:COMPUTER 与Computer不同。2008-092008.122 数据对象(1)n在VHDL语言中，凡是可以赋于一个值的客体叫对象(object)。nVHDL对象包含有专门数据类型，主要有4个基本类型：常量(CONSTANT)、信号(SIGNAL)、变量(VARIABLE)和文件(FILES)。其中文件类型是VHDL93标准中新通过的。2008-092008.12数据对象(2)n信号和变量可以连续的赋于不同的值。n常量只在它被说明时赋值，在整个器件工作期间值不变化。试图对常量多次赋值是错误的。n文件可以用参数向子程序传递数据，通过子程序对文件进行读和写

6、操作。文件不可以通过赋值来更新文件的内容，文件参数没有模式。2008-092008.12数据对象（3）n对象说明的一般书写格式为：n对象类别 标识符表：子类型标识:初值；n对象说明举例：nCONSTANT T1，T2：time:30ns，-常量说明nVARIABLE SUM：read；-变量说明nSIGNAL CLOCK：bit；-信号说明nFILE input：Text IS IN“STD_INPUT”-文件说明2008-092008.12数据对象（4）n对象的赋值规则：n 可用函数调用的方法给对象赋初值。CONSTANT Busnumber：Integer:My_function(True

7、，6)；n如果在同一个对象说明语句中，对多个同一类型的对象指定初始值，则多个对象同时取得了这一指定值。n信号和变量的默认值。当信号和变量没有指定初始值或没有给信号变量赋值时，即信号和变量的值在对象说明语句中默认时，信号变量的取值称为默认值。一般地，若变量为字符型变量则取最大值；若变量、信号为数值型变量，则取初始值，默认值为0 2008-092008.12常量（1）n常量(constant)是设计者给实体中某一常量名赋予的固定值。一般地，常量赋值在程序开始前进行说明，数据类型在实体说明语句中指明。常量说明的一般格式如下：nCONSTANTCONSTANT 常数名：数据类型:表达式；n根据上面的格

8、式，举例如下：n8位寄存器宽度指定：nCONSTANTCONSTANT width：integer:8；n设计实体的电源供电电压指定：nCONSTANTCONSTANT Vcc：real:5.0；n某一模块信号输入/输出的延迟时间：nCONSTANTCONSTANT DALY：time:100ns；3 数据对象2008-092008.12常量（2）n常量标识符、WIDTH，VCC，DALY，PBUS等在VHDL程序中多处有用，其值在运行中不变。若要改变常量值，必须要改变设计，改变实体中的常量说明，然后重新编译。n常量必须在程序包、实体、结构体或进程的说明区域中对常量的标识符、类型、常量值进行指

9、定。n定义在程序包中的常量由所在的实体或结构体调用。n定义在实体内的常量仅在实体内使用，定义在进程内的常量仅在进程内使用。2008-092008.12变量（1）n变量(variables)仅用在进程语句、函数语句、过程语句中的结构中使用，变量是一个局部量，变量的赋值立即生效，不产生赋值延时。变量书写的一般格式为：nVARIABLESVARIABLES 变量名：数据类型 约束条件:表达式；n根据上述格式，举例如下：nVARIABLESVARIABLES result：std_logic:0；变量赋初值nVARIABLESVARIABLES x，y，z：integer；nVARIABLESVARI

10、ABLES count：integer range 0 TO 255:10；2008-092008.12变量（2）n在VHDL语言中，变量的使用规则和限制范围说明如下：n变量赋值是直接非预设的。在某一时刻仅包含了一个值。n变量赋值和初始化赋值符号用“:”表示。n变量不能用于硬件连线和存储元件。n在仿真模型中，变量用于高层次建模。n在系统综合时，变量用于计算，作为索引载体和数据暂存。n在进程中，变量的使用范围在进程之内。若将变量用于进程之外，必须将该值赋给一个相同类型的信号，即进程之间传递数据靠的是信号。2008-092008.12信号(1)n信号(signal)是电子电路内部硬件实体相互连接的

11、抽象表示。信号通常在构造体、包集合和实体说明中使用，其一般书写格式为：nSIGNAL 信号名：数据类型、约束条件:表达式；使用上述格式举例如下：nSIGNAL SIGNAL sys_clksys_clk：BIT:BIT:0 0；-系统时钟信号nSIGNAL count：bit_vector(7 downto 0)；-计数器宽度 2008-092008.12信号（2）n有关信号的使用规则说明如下：n“:=”表示对信号直接赋值，表示信号初始值不产生延时。n“=”表示代入赋值，是变量之间信号的传递，代入赋值法允许产生延时。例如：T1=T2；n在仿真中，初始化能保证信号设定在指定值上。对于存储元件的加

12、电初始状态，应该设计复位或予置位机构，而不是通过信号指定初始化值来实现。n在EDA工具综合时，信号应在结构体中描述清楚。2008-092008.124 数据类型nVHDL语言标准定义了10种标准的数据类型。为了方便设计，允许用户自定义数据类型。nVHDL语言程序是系统行为的描述、功能的说明和结构的组织，使用规范化语言，有着很强的约束性。不同的数据类型不能直接代入，相同的类型，位长不同也不能代入。EDA工具在编译、综合时会报告类型错。2008-092008.12数据类型（2）nVHDL语言标准所定义的标准数据类型n(1)整数类型(INTEGER TYPE)n(2)实数类型或浮点类型(REAL T

13、YPE FLOATING TYPE)n(3)位类型(BIT TYPE)std_logicn(4)位矢量类型(BIT_VECTOR TYPE)std_logic_vectorn(5)布尔类型(BOOLEAN TYPE)n(6)字符类型(CHARACTER TYPE)n(7)时间类型或物理类型(Time type physical type)n(8)错误类型(NOTE，WARNIING，ERROR，FAILURE TYPE)n(9)自然数、整数类型(NATURAL TYPE)n(10)字符串类型(TRING TYPE)2008-092008.12数据类型（3）n布尔量(BOOLEAN)n布尔量是二

14、值枚举量，每一个布尔量具有两个可能的值：“真”或者“假”。n布尔量没有数量多少的概念，不能进行算术运算，只能进行逻辑运算。n布尔量常用来表达信号的状态，或者总线上的控制权，仲裁情况，忙、闲状态等。n若某个客体被定义为布尔量，则EDA工具对设计进行仿真时，自动地对其赋值情况进行核查。2008-092008.12数据类型（4）n字符(CHARACTER)n字符在VHDL语言中编程时用单引号括起来。A，a，B，b，都认为是不同的字符。nVHDL语言对大小写英文字母不敏感，但区分字符量中的大小写。字符1，2仅是符号。n字符包括AZ，az，09，空格及一些特殊字符。2008-092008.12数据类型（

15、5）n字符串(STRING)n字符串是由双引号括起来的一个字符序列。例如“VHDL”，“STRING”，“MULTI_SCREEN COMPUTER”等。n字符串在其他文献中也称为字符矢量或字符串数组。n字符串一般用于程序的提示、结果的说明等场合。2008-092008.12数据类型（6）n整数(INTEGER)n在VHDL语言中，整数范围从(2311)到(2311)，例如：128，5，12，。n在电子系统中，整数可以用进制来表示。n整数不能看作矢量，不能单独对某一位操作。n整数不能用于逻辑运算，只能用于算术运算。n对象的数据类型定义为整数时，范围应有约束。例如：nVARIABLE A：INT

16、EGER RANGE 128 TO 128；n在电子系统设计过程中，整数可以用来抽象地表达总线的状态。2008-092008.12数据类型（7）n位(BIT)n 位通常用来表示一个信号的值。n 位通常用单引号来括号引其位的值。如：TYPE BIT IS(0，1)；n位的值0，1表示信号的状态；n布尔量的值0，1表示假，真。两者的意义不一样。2008-092008.12类 型 转 换(1)n在VHDL程序设计中，不同类型的对象不能代入。对于某一数据类型的变量、信号、常量、文件赋值时，类型一定要一致，否则EDA工具进行综合、仿真等过程中不能通过。n为了进行不同类型的数据变换，可以有3种方法：类型标

17、记法、函数转换法和常数转换法。2008-092008.12类 型 转 换(2)n用类型标记法实现类型转换用类型标记法实现类型转换n类型标记就是类型的名称。类型标记法仅适用于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。若：nvariable i：integer；nvariable r：real；n则有：ni:integer(r)；nr:real(i)；2008-092008.12类 型 转 换(3)n用函数法进行数据类型转换，VHDL语言标准中的程序包提供的变换函数来完成这个工作。这些程序包有3种：nSTD_LOGIC_1164程序包定义的转换函数：n函数 TO_STDLOGICV

18、ECTORTO_STDLOGICVECTOR(A)-由位矢量BIT_VECTOR转换为标准逻辑矢量STD_LOGIC_VECTORn函数 TO_BITVECTORTO_BITVECTOR(A)；-由标准逻辑矢量STD_LOGIC_VECTOR转换为位矢量BIT_VECTORn函数 TO_STDLOGICTO_STDLOGIC(A)；-由BIT转换为STD_LOGICn函数 TO_BITTO_BIT(A)；-由标准逻辑STD_LOGIC转换BIT2008-092008.12逻辑标准值nVHDL93标准定义了STD_LOGIC 9种不同的值，增加了不定状态“X”、高阻状态“Z”。不定状态方便了系统

19、仿真，高阻状态方便了双向总线的描述。nU-初始值nX X -不定，未知；不定，未知；nO O -0-0n1 1 -1-1nZ Z -高阻高阻nW-弱信号不定，未知nL-弱信号0nH-弱信号1n-不可能情况2008-092008.12命名规则n在VHDL语言中使用的名字，如信号名、实体名、结构体名、变量名、各种进程标记、块标记等命名时，应遵守如下规则：n构成名字的符号有英文字母，数字和_连字符。n名字的最前面应该是英文字母。n不能连续使用连字符“_”，名字最后一个符号也不能用连字符。命名规则举例：命名规则举例：nSIGNAL sel：INTEGER；nSIGNAL PCI_BUS：STD_LOG

20、IC_VECTOR(31 DOWNTO O)；nSIGNAL 8_BUS：.-数字开头，是错误的名字nSIGNAL PCI_BUS：.-是非法符号nSIGNAL PCI_BUS_：.-结尾不能用连字符2008-092008.12程序注释n为了提高VHDL语言设计程序的可读性，像其他高级语言那样，在每一程序行后可以增加注释。n注释从“-”符号开始，到该行末尾结束。n注释文字不作EDA工具进行逻辑综合的依据。不产生硬件电路结构，不描述电路行为，在综合、仿真、验证过程中，EDA工具对注释行不进行处理。2008-092008.12程序注释n注释不是设计描述的有效部分，编译后存入数据库中的部分不含注释部

21、分。n举例：TrantFrame idle irdy devsel;-PCI总线数据传输译码逻辑之一。2008-092008.12十进制数表示法n十进制数书写的规范格式为：n十进制文字:整数指数n其中 整数:数字或下划线连接的数字n指数:E整数或E整数n整数举例：089，0，456_78，2e8，5e3。n实数举例：12.0，0.0，3.14159，1.2E3，2.4e5。2008-092008.12字符、字符串nVHDL语言中，字符为单引号括起来的ASCII字符其规范书写格式为：n字符文字:图形字符n例如1，A，F。n字符串为双引号括起来的图形字符序列。规范书写格式为：n字符串文字:“图形字

22、符”n例如：“PCI BUS interface”，n“This string constain an information”。2008-092008.125 运算操作符nVHDL语言的操作符有4种：n(1)逻辑运算符(LOGICAL)n(2)关系运算符(RELATIONAL)n(3)算术运算符(ARITHMETIC)n(4)并置运算(CONCATENATION)2008-092008.12逻辑运算符n在VHDL中，逻辑运算符有6种，列表如下：n(1)NOT取反n(2)AND与n(3)OR或n(4)NAND与非n(5)NOR或非n(6)XOR异或；2008-092008.12算术运算符nVH

23、DL算术运算符的例表如下：n(1)-加运算n(2)-减运算n(3)*-乘运算n(4)/-除运算n(5)MOD -求模运算n(6)REM -取余运算n(7)-正n(8)-负n(9)*-指数运算n(10)ABS -取绝对值2008-092008.12关系运算符（1）n关系运算符是两个对象在比较运算时，将两个操作数比较的结果表示出来所使用的符号，列表如下：n 等于n/不等于n 小于n 小于等于n 大于n 大于等于2008-092008.12关系运算符（2）n关于运算符，在VHDL程序设计中有如下规则：n两个对象进行比较时，数据类型一定要相同。n(等于)和/(不等于)适用于所有数据类型的对象之间的比较

24、。n大于、小于、大于等于、小于等于适用于整数、实数位、位矢量及数组类型的比较。n符号有两种含义：代入符和小于等于符，要根据上下文判断。n两个位矢量类型的对象比较时，自左至右，按位比较。2008-092008.12并置运算符n在VHDL程序设计中，并置运算符“”用于位的连接。并置运算符的使用规则如下：n并置运算符可用于位的连接，形成位矢量。n并置运算符可用两位矢量的连接构成更大的位矢量。n位的连接，可以用并置符连接法，也可用集合体连接法。举例如下：nDATA_CDATA_C D0 D1 D2 D3；nDATA_CDATA_C (D0，D1，D2，D3)；2008-092008.12操作符的运算优

25、先级n在VHDL程序设计中，逻辑运算、关系运算、算术运算、并置运算优先级是不相同的，各种运算的操作不可能放在一个程序语句中，所以把各种运算符排成统一的优先顺序表意义不明显。n其次，VHDL语言的结构化描述，在综合过程中，程序是并行的，没有先后顺序之分，写在不同程序行的硬件描述程序同时并行工作。nVHDL语言程序设计者不要理解程序是逐行执行，运算是有先后顺序的，这样是不利于VHDL程序的设计。n运算符的优先顺序仅在同一行的情况下有顺序、有优先，不同行的程序是同时的。2008-092008.12习 题n1什么叫对象？对象有哪几个类型？n2VHDL语言定义的标准类型有哪些？n3简述VHDL语言操作符的优先级。n4哪3种方法可用来进行类型转换？2008-092008.12