一个 VHDL 设计由若干个 VHDL 文件构成，每个文件主要包含五个部分的一个或全部：在 max+plusⅡ 中后缀为（ VHD).

一个 VHDL 设计由若干个 VHDL 文件构成，每个文件主要包含五个部分的一个或全部：在 max+plusⅡ中后缀为（ VHD).

1. 程序包 ( Package )2. 实体（ Entity)3. 结构体 (Architecture)4. 配置（ configuration)5. 库（ library)

第 2 章 VHDL 语言程序的基本结构

其中 1~4 为可分别编译的源设计单元。库用来存放已编译过的实体、构造体、包和配置。

2.1 VHDL 语言设计的基本单元基本单元：基本设计实体，可很简单，如门，也可很复杂，如包含 CPU 的系统。设计一个数字系统，首先要解决两个问题： 1 ）输入、输出是什么； 2 ）内部完成什么功能。对于 1 ，由实体 (Entity) 说明来描述；对于 2 ，由构造体（ Architecture) 来描述。

Entity mux isGeneric (m: Time:=1ns);Port(do,d1,sel: IN Bit; q: out Bit);End mux;

Architecture connect Of mux isSignal tmp: Bit;Begin cale: Process(d0,d1,sel) Variable tmp1,tmp2,tmp3:Bit; Begin tmp1:=d0 AND sel; tmp2:=d1 AND (NOT sel); tmp3:= tmp1 OR tmp2; tmp<=tmp3; q<=tmp AFTER m; END PROCESS;END CONNECT;

实体说明部分

构造体说明部分

一个二选一数据选择器的描述

2.1.1 实体说明实体中定义电路单元和使用环境的接口，实体名必须与电路名相同。实体的格式ENTITY 实体名 IS

[ 类属参数说明 ] ；[ 端口说明 ] ；END 实体名；

1 ） VHDL 语言书写不分大小写；（个别例外）2 ） [ ] 中内容有时可不要；3 ） END 后的实体名可省。

1. 类属参数说明1 ）类属参数说明（ generic) 用来为设计引入信息，如时间；2 ）类属参数说明（ generic) 必须放在端口之前；

3 ）类属参数说明（ generic) 常用来设计通用元件。2. 端口说明格式： Port( 端口名 { ，端口名 } ：方向数据类型名；

… 端口名 { ，端口名 } ：方向数据类型名 ) ；1) 端口名电路外部引脚的名称，通常用英文字母加数字命名，如 d0,A1,

En,clk,LD.2) 端口方向（模式）端口方向定义外部引脚信息的方向，共有五种：in, out, inout, buffer, linkage 常用前 4 种Linkage: 不指定方向，任何方向均可连接 , 只在文挡中使用。

●IN 信号进入实体但并不输出；●OUT 信号离开实体但并不输入；并且不能在有内部反馈情况下使用；●INOUT 信号是双向的（既可以进入实体，也可以离开实体）；●BUFFER 信号输出到实体外部，同时也可在实体内部反馈； BUFFER （缓冲）是 INOUT （双向）的子集，但不是由外部驱动。端口模式可用下图说明 : （黑框代表一个设计或模块）

IN OUT BUFFER INOUT

3 ）数据类型VHDL 中有 10 种数据类型，但逻辑设计只用两种 , 另在库中还定义了多种数据类型：1. Bit 2. bit_vectorBit : 位逻辑数据类型，取值为 0 或 1 ；bit_vector ：位矢量，取值为一组二进制位。Port(do,d1,sel: IN Bit; q: out Bit ； bus:out bit_vector(7 downto 0));

Library ieee; 在编译时在指定的库、Use ieee.std_logic_1164.all 包中寻找这种数据类型Entity mu isPort(do,d1,sel: IN std_logic; q: out std_logic ； bus:out std_logic__vector(7 downto 0));End mu;

2.1.2 构造体构造体 (Architecture) 定义实体的实现，即电路的具体描述 .

构造体的一般格式如下：Architecture<architecture_name 构造体名 > of <entity_name> is

begin – 以下开始构造体，用于描述设计的功能--concurrent signal assignments 并行语句信号赋值--processes 进程（顺序语句描述设计）--component instantiations 元件例化

end<architecture_name> ；

-- 构造体声明区域 -- 声明构造体所用的内部信号及数据类型-- 如果使用元件例化，则在此声明所用的元件

定义语句

1. 构造体名称的命名：一般以描述方法命名，描述方法一般有：行为特性： behavioral 简写为 beh 结构： structural 简写为 str 数据流： dataflow

如： Architecture beh Of mux is

2. 定义语句：位于 architecture 和 begin 之间，用于对构造体内部使用的信号、变量、数据类型和函数定义。 Architecture beh Of mux is signal n1:bit; … begin …

1) 信号为内部使用，不须加方向2) 信号应有名和数据类型

3. 并行处理语句：位于 begin 和 end 之间，描述构造体的行为和电路连接关系。所谓并行，指多个语句不以书写顺序执行。

一数据选择器的构造体：architecture arch of mux4 is

begin

y<=((((a0 and not (s(0))) or (a1 and s(0)))) and not (s(1))) or (((a2 and not s(0))) or (a3 and s(0))) and s(1));

end archmux;

• y=a0s1s0+a1s1s0+a2s1s0+a3s1s0

=(a0s0+a1s0)s1+(a2s0+a3s0)s1

2.2 VHDL 语言构造体的子结构一个构造体可以用几个子结构来构成，即一个系统可以用几个比较独立的模快来构成。1. BLOCK 语句结构2. PROCESS 语句结构3. SUBPROGRAMS 语句结构

2.2.1 BLOCK 语句结构描述1.BLOCK 语句的结构格式：块结构名； block begin … end block 块结构名；

Entity mux isPort(d0,d1,sel: IN Bit; q: out Bit);End mux;Architecture connect Of mux isSignal tmp1,tmp2,tmp3 : Bit;Begin cale: blockBegin tmp1<=d0 AND sel; tmp2<=d1 AND (NOT sel); tmp3<= tmp1 OR tmp2; q<=tmp3 ;End block cale;END CONNECT;

一个二选一数据选择器的描述

2. 块（ block ）和子原理图的关系：一个 block 相当于总图中的一个子图，分块设计有利于编辑查错。3. 块（ block ）中语句的并发性： block 中的语句为并发的。4. 卫式 block （ Guarded block): 指满足条件时，块语句执行，不满足时不执行。例：… begin

G1: block(clk=‘1’)

begin

q<=guarded d after 5ns;

qb<=guarded not(d) after 7ns;

end block G1;

1) 卫式块不能综合；2 ） after 语句不能综合；3 ）当满足 clk=1 时执行。

d q

qbclk

2.2.2 进程（ process) 语句结构描述1.process 语言结构[ 进程名 ] ： process( 信号 1 ，信号 2,…)

Begin

…

End process;

Architecture connect Of mux isSignal tmp: Bit;Begin cale: Process(d0,d1,sel) Variable tmp1,tmp2,tmp3:Bit; Begin tmp1:=d0 AND sel; tmp2:=d1 AND (NOT sel); tmp3:= tmp1 OR tmp2; tmp<=tmp3; q<=tmp AFTER m; END PROCESS;END CONNECT;

例如：变量只在进程中定义和使用。

2. process 中语句的顺序性： process 中的语句按顺序执行。3. process 语句的启动： process （）括号内的量称为敏感量，敏感量发生变化，启动进程。4. Process 的同步描述：当一个构造体内含有多个 process 时，进程之间为并行的，进程之间能通信。2.2.3 子程序（ subprogram) 语句结构描述子程序有两类： 1 ）过程（ procedure)

2) 函数（ function)

1. 过程语句格式

Procedure 过程名（参数 1 ，参数 2 ，…） is

[ 定义语句 ] ；（变量等定义）Begin

[ 顺序处理语句 ] ；（过程语句）End 过程名；过程中的参数可以是输入，也可以是输出。见教材例 2-7

z: 输入，位矢量 x_flag: 输出，布尔量q: 输入输出，整数该过程实现将二进制数转换为整型数， x_flag 为出错标志在过程中，如不作说明，则认为 in 为常量， out 和 inout 为变量。

如在过程调用后要将属性为 in 和 inout 的参数传递给信号，则要事先在过程中说明。（见例 2-8 ）2 ）过程语句中的顺序性过程语句按顺序执行调用：①将初始值传递给过程的输入参数 ②执行语句 ③将输出值拷贝到 out 和 inout 所定义的变量和信号中去

Architecture rtl of ex is procedure cale (a,b : in integer; avg,max: out integer) is – 默认为变量 begin avg:=(a+b)/2 if a>b then max:=a; else max:=b; end if; end cale;

如定义过程：

调用过程Begin cale (d1,d2,q1,q2); -- 错误，并行语句。

Process(d3,d4)Variable a,b: integer;Begin cale(d3,d4,a,b);--正确 …

2. 函数语句1 ）格式： function 函数名（参数 1 ， 2…)

return 数据类型名 is

[ 定义语句 ]

begin

顺序语句 [返回变量名 ]

end 函数名；子程序可定义在进程、包和构造体中。例 2-9 为定义在包中的例子。定义了一个 max 函数。

2 ）函数调用及结果返回 ①函数调用和一般高级语言相同； ②函数调用既可在并行语句中，也可在顺序语句中； ③函数和过程通常不必指定参数的矢量长度； ④例 2-9 是将max 函数放在了名为 bpac 的包中，而bpac

包应放在库中。 ⑤例 2-10 第 1 行应写为 library ieee;

library newlib;

⑥由例 2-10 可知， bpac 包存放在 newlib 库中。

2.3 包集合、库及配置包集合、库及配置是三个可独立编译的源设计单元。

2.3.1 库 (Library)

库专门存放预先编译好的程序包、实体、构造体和配置等，这样它们就可以在其它设计中被调用。库的功能类似一个子目录或文件夹。使用库时，要进行库说明。LIBRARY ieee ； library newlib ；

1. 库的种类有 5 种： ieee; std; 面向 ASIC 的库； work; 用户定义库。其中： ieee 库为 ieee正式认可的库，使用库中包时要说明； std 库为 VHDL 的标准库，使用该库中数据可不必说明；但使用库中 TEXTIO 包须说明。

库名程序包名包中预定义内容std standard VHDL 类型，如 bit ， bit_vectorieee std_logic_1164 定义 std_logic ， std_logic_vect

or 等ieee numeric_std 定义了一组基于 std_logic_1164 中定义的类型的算术运算符，如“ +” ，“ -” ， SHL ， SHR 等ieee std_logic_arith 定义有符号与无符号类型，及基于这些类型上的算术运算。ieee std_logic_signed 定义了基于 std_logic 与 std_logic

_ vector 类型上的有符号的算术运算ieee std_logic_unsigned 定义了基于 std_logic 与 std_logic

_ vector 类型上的无符号的算术运算

面向 ASIC 库：由工具商提供的库，在 MAX-PLUSⅡ中，有 ALTERA公司自己定义的库，名为 ALTERA.里面存放两个程序包。1 ） maxplus2; 2) megacore.WORK 库：现行作业库，使用不必说明。用户定义库：由用户自己定义，使用需要说明。使用工作界面窗口中的 options 选项，在 user libraries

选项中选择你所要存放库的路径。

2. 库的使用1 ）库的说明如： library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

2) 库说明的作用范围作用范围为它下面的一个设计（包括实体、构造体和配置等）。当有两个实体时，应有两个库使用说明。（如例 2-11 ）

2.3.2 包集合包集合中存放信号定义、常量、数据类型、元件语句、函数、过程等，它可以编译，使用时用use 语句。如： use ieee.std_logic_1164.all;包结构：

package 包集合名 is

[ 说明语句 ] ； end 包集合名；Package body 包集合名 is

[ 说明语句 ] ； end 包集合名；

包的说明部分（包头）包体（可选）

-- 包头说明PACKAGE Logic IS

TYPE Three_level_logic IS (‘0’, ‘1’, ‘Z’);

CONSTANT Unknown_Value:Three_level_logic:=‘0’;

FUNCTION Invert (input:Three_level_logic) RETURN Three_level_logic;

END Logic;

-- 包体说明PACKAGE BODY Logic IS

-- 如下是函数的子程序体 FUNCTION Invert (input:Three_level_logic) RETURN Three_level_logic;

BEGIN

CASE input IS

WHEN ‘0’=>RETURN ‘1’;

WHEN ‘1’=>RETURN ‘0’;

WHEN ‘Z’=>RETURN ‘Z’;

END CASE;

END Invert;

END Logic;

关于包：1 ）一个元件、函数或过程如只在包体中定义，则只能在本包体中调用（例 2-12 ），如要在其它设计中调用，必须在包头中说明，建议函数和过程在包中定义；2 ）包可以只有包头，无包体；（例 2-13 ）例 2-13 在包 upac 中，定义了 k: 常量； instruction: 枚举类型（一种数据类型） cpu_bus: 4 位位矢量。

2.3.3 配置配置语句描述层与层之间，实体与结构体之间的连接关系。如：一个电路，实体是一个（表示框图），但构造体可有多个（实现方法多种），可利用配置语句把不同的构造体连接起来，验证其性能。格式： Configuration 配置名 of 实体名 is

[ 语句说明 ] ；（如 for 选配构造名 end 选配构造名 ;)

end 配置名；

关于配置： ①配置只用于模拟仿真； ②综合工具忽略所有的配置，只对最后输入的结构体进行综合；见例 2-14 ，实体是一个计数器，构造体 small_count 为 8 位计数器，构造体 big_count 为 16 位计数器。如编译 :

Configuration small_count of counter is

…

end small_count;

则实现 8 位计数器；

如编译 :

Configuration big _count of counter is

…

end big_count;

则实现 16 位计数器；③在例 2-14 中，由于 max-plusⅡ中的 std_std_logic 包中无 T_wlogic 类型，可改用 ieee 库中的 std_logic_1164 包，用 std_logic 类型④在例 2-14 中，实体中 data_in 和 data_out 均为整数类型（ integer) ，则自动设置为 32 位（由计算机定）；⑤例 2-14 ，综合结果为 32 位输出的模 216 计数器。

第 3 章 VHDL 语言的数据类型及运算操作符

3.1 VHDL 语言的客体及其分类在逻辑设计中， VHDL 语言常用的数据对象为信号、常量、变量，数据对象称为客体。3.1.1 常量（或常数）常量在设计描述中保持某一规定类型的特定值不变。如利用它可设计不同模值的计数器，模值存于常量中，不同的设计，改变模值仅需改变此常量值。格式： CONSTANT 常量名：数据类型： = 表达式；常量赋值符号为“ : = ” 。例 constant vcc: real:=5.0;

3.1.2 变量 (variable)

变量只在给定的进程中用于声明局部值或用于子程序中 , 可以是任意类型。赋值符号为“ : = ” 。变量说明格式： variable 变量名：数据类型约束条件： = 表达式；例： variable cnt: integer range 0 to 255 :=10;

变量赋值立即生效，不产生附加延时，不能写成： y:=x after 10ns;

3.1.3 信号（ Signal ）信号表示一条连线，通常在构造体、包集合和实体中说明，信号是全局量，内部信号说明不要注明数据流向，外部信号（外部信号对应为 in ， out ，inout ， buffer ）说明时 signal 省略。信号也可在状态机中表示状态变量。信号赋值符号为“ <=” 。信号说明格式： signal 信号名：数据类型约束条件： = 表达式；

信号赋初值用“ :=”

程序中信号代入用“ <=” 例： signal a: bit;

3.1.4 信号和变量值代入的区别1 ）变量赋值是立即执行的；2 ）信号的代入和语句的处理在时间上是分开的。

在例 3-1 的前部分， A ， B ， C ， D 为信号，当语句处理时，信号并不立即代入，当结束进程时，信号才被代入。在例 3-1 的前部分， A ， B ， C ， D 为变量，当语句处理时，变量立即赋值。所以前后两部分结果不同。下面是一个加法器的例子：

Entity bcdadder is Port(op1,op2 :in integer range 0 to 15; result :out integer range 0 to 31 );End dcdadder;

Architecture behavior of bcdadder is

constant adjustnum :integer:=6

-- 定义一常量 :整数型 , 值为 6

signal binadd :integer range 0 to 18; -- 定义一个信号 , 以保存两数二进制相加的和 .

Begin binadd<=op1+op2; -- 信号赋值 process(binadd) variable tmp : integer:=0; -- 定义一个变量 , 并赋初值为 0 begin if binadd>9 then tmp:=adjustnum; -- 变量赋值 , 立即起作用 else tmp:=0; end if; result<=binadd+tmp; end process;End behavior;

3.2 VHDL 语言的数据类型3.2.1 标准的数据类型标准的数据类型共 10 种，见下表。

数据类型含义整数（ integer) 32 位， -2147483647~ 2147483647实数 (real) 浮点数， -1.0E+38~+1.0E+38位 (bit) 逻辑“ 0” 或“ 1”位矢量 (bit_vector) 多位“ 0” 和“ 1” 的组合布尔量 (boolean) 逻辑“真”或逻辑“假” : true 和 false字符 (character) ASCII 字符时间 (time) 时间单位： fs,ps,ns,μs,ms,sec,min,hr错误等级 (severity level)

Note, warning,error,failure

自然数 (natural)正整数（ positive)

≥0 的整数>0 的整数

字符串 (string) 字符矢量

3.2.2 用户定义的数据类型VHDL允许用户自己定义数据类型：格式： type 数据类型名 { ，数据类型名 } 数据类型定义；由用户定义的数据类型可有多种：枚举；整数；实数；浮点数；数组；存取；文件；记录；时间3.2.3 用户定义的子类型VHDL允许用户自己给数据类型加以限制，形成子类型：格式 subtype 子类型名 is 数据类型名范围；

3.2.4 数据类型的转换函数名功能

1） std_logic_1164包集合To_stdlogicvector(A)To_bitvector(A)To_stdlogic(A)To_bit(A)

Bit_vector → std_logic_vectorstd_logic_vector→ Bit_vector Bit → std_logicStd_logic→ bit

2)std_logic_arith包集合Conv_std_logic_vector(A，位长）Conv_integer(A)

Integer,unsigned,signed→Std_logic_vector

Unsigned,signed→ integer3)std_logic_unsigned包集合Conv_integer(A) Std_logic_vector → integer

数据类型的说明：1 ） boolean 型常量、信号和变量均可说明为 boolean 型，综合工具将 false 译为 0 ，将 true 译为 1 。2 ） integer 型没有定义长度，由工具而定，一般为 32 位。不用 32位时，可采用 :

a)自定义类型，如： type digit is integer range 0 to 9;

b) 直接注明范围，如： port( x: in integer range 0 to 9);

3) 位和位矢量 VHDL标准中只定义了 bit 和 bit_vector,而 bit 只能取“ 0” 和“ 1” ，给设计带来限制： a) 不能描述三态 b) 不能使同一信号具有多个驱动源 c) 不能给信号赋未知值 d) 不能给信号赋无关值解决方法：由 ieee 制定了标准化数据类型。在 ieee.std_logic_1164 包中定义了a) std_ulogic 类型具有 9 种不同的值（见 p44)

b) Std_logic 类型是 std_ulogicd 的决断子类型

4) Character 字符型由 ASCII码表示的 128 个字符，要用单引号标注，如‘ c’ ，多数综合工具支持 VHDL-87 定义的字符，可综合。5) std_logic 是决断类型含义：当一个信号有多个驱动器驱动时，则调用定义的决断函数以解决冲突，并决定给信号赋什么值，这可用在三态总线中。

en2

en1

c

d

dbus

Library ieee;

Use ieee.std_logic_1164.all;

Entity ex is

port(d,c,en1,en2: in std_logic;

dbus: out std_logic);

End;

Architecture rtl of ex is

Begin

dbus<=d when en1=‘1’ else ‘Z’;

dbus<=c when en2=‘1’ else ‘Z’;

End;

使用 std_logic 型后，缺点是如误将两个驱动器驱动同一信号，也不会有出错报告。6) 关于数组（ array)

type 类型名 is array 范围 of 原数据类型名a) Type A_4 is array (3 downto 0) of std_logic;

表示一维数组（ 4 行 1列，每个元素为一位）b) Type A_43 is array (3 downto 0) of std_logic_vector(2 downto 0);

表示一维数组（ 4 行 1列，每个元素为三位的位矢量）c) Type A_453 is array (3 downto 0, 4 downto 0) of std_logic_vector

(2 downto 0);

表示二维数组（ 4 行 5列，每个元素为三位的位矢量）

如一个信号 a, 为 A_453 类型，即如下形式：“101”3

210

4 3 2 1 0

“011”

a(1,2)a(1,2)(0)

7) 枚举类型格式： type 名 is (.., .., ..);

枚举类型经常用时序电路的设计中，时序电路有许多状态，这些状态在设计中可编码，如用枚举类型，就可以自己不去编码，而交给工具。大多数综合工具都支持枚举类型。如： type state_type is (start,idle,waiting,run,error);

signal state: state_type;

表示 state 可取 5 个值，综合工具将每个状态转换为 3位矢量，表示 5 种不同值。

8) 关于转换函数如信号 A 为 bit_vector 类型，下列的赋值均为正确的：A<=“10011” ( 二进制）A<=B”10011” ( 二进制，和上面等价）A<=O”456” （八进制）A<=X”FFA6” （十六进制）A<=259 （十进制，必须为常量）A<=4.6E-4 （综合工具不支持）为改善可读性，可加下划线：A<=B”1100_0110_1011” 等价于 A<=B”110001101011”

A<=X”C3_D8” 等价于 A<=X”C3D8”

* 有下划线时，前面的进位标志不能省略，下面是错的：A<=”1100_0110_1011”

VHDL 语言为强类型语言，不允许不经转换而把Bit_vector 赋给 std_logic_vector, 如： A 为 Bit_vector ， B 为 std_logic_vector ，当把 A赋给 B 时，必须使用转换函数 to_stdlogicvector(A)

9) 关于记录类型：格式： type 数据类型名 is record

记录定义； end record;

例如：Architecture beh of ex is

Type data_data is record

Year: integer range 1996 to 2099;

Month: integer range 1to 12;

Date:integer range 1 to 31;

End record;

Signal d: data_data;

Begin

d.year<=1999;

d.month<=4;

d.date<=8;

End;

等效为：D<=(1999,4,8);

高级综合工具支持记录类型，但对记录中的数据类型有限制，故在仿真中用的更多。

9) 关于子类型子类型通常是对已有的一些类型作一些限制。格式： subtype 名 is 数据类型名 [范围 ] ；如： subtype abus is std_logic_vector(7 downto 0);

则 abus 类型为 8 位矢量。

3.2.5 数据类型的限定在 VHDL 语言中，有时可以用所描述的上下关系来判断某一数据的数据类型。

(1) 用文字的上下关系判断 signal a : std_logic_vector(7 downto 0);

a<=“10011010”; （则“ 10011010” 必为 std_logic_vector型）(2) 在数据前加类型名 a<=std_logic_vector“10011010”;

3.2.6 IEEE标准“STD_LOGIC” 、” STD_LOGIC_VECTOR”

Std_logic 型数据可有 9 种值‘U’ （初始值）；‘ X’ （不定）；‘ 0’ ；‘ 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）

·算术运算符 (Arithmetic operators)+ 加- 减* 乘/ 除** 乘方mod 求模rem 求余** 指数abs 求绝对值+ 正（一元运算）- 负（一元运算）

3.3 VHDL 语言的运算操作符

· 关系运算符= 等于/= 不等于< 小于<= 小于或等于> 大于>= 大于或等于

注：其中‘ <=’ 操作符也用于表示信号的赋值操作

逻辑运算符

and 逻辑与or 逻辑或nand 与非nor 或非xor 异或xnor 同或not 逻辑非

· 并置运算符& 连接，将两个对象或矢量连接成维数更大的矢量

说明：关系运算：关系运算产生一个 boolean 值，即 ture 或 false, 关系运算符可以直接用于 integer,bit_vector 和 std_logic_vector等。运算符 =

和 /= 可用于所有已定义的数据类型。大多数综合工具都支持所有的关系运算。算术运算符：算术运算符适用于整数、实数和时间等数据类型，如要对 std_logic_vector 类型进行算术运算，则必须使用程序包 Ieee.std_logic_unsigned 或 ieee.std_logic_signed

综合工具一般支持“ +” 、“ -” 、“ *” 和分母为 2乘方时的“ /”

VHDL 语言构造体的描述方法4.1 构造体的行为描述方法

第 4 章

行为描述是对系统的数学模型的描述，较抽象。行为描述的程序特点是大量采用算术运算、关系运算、惯性延时和传输延时，有些描述难以综合。

4.1.1 代入语言一般格式：信号量 <= 敏感信号量表达式；

如： a<= b ；（只要 b 变化，就代入新的值）如： z<= a nor(b nand c) ；（只要 a 、 b 、 c 变化，就代入新的值）

具有延时的代入语句： a<=b after 5ns; (b 发生变化后 5ns 代入新值）例 4-2 为有条件的代入语句： with sel select

q<=i0 after 10 ns when 0,

i1 after 10 ns when 1,



‘X’ after 10 ns when others;

sel<=0 when a=‘0’ and b=‘0’ else

1 when a=‘1’ and b=‘0’ else



4;

4.1.2 延时语句 1)惯性延时 (inertial)

a ）为 VHDL 的默认延时 ;

b)尖峰脉冲不能传输（如果使用 after 语句）c)常用作元件延时 2)传输延时 (transport)

a ）脉冲均可传输，与宽度无关b)可以很好地表示接连线延时 q1<=a after 5 ns; 惯性延时 q2<=transport a after 5ns; 传输延时

a b

0 5 10 15 20 25 30 ns

a

b

b

b<=a after 5 ns;

b<= transport a after 5 ns;

（综合工具不支持延时）

4.1.3 多驱动描述语句创建一个驱动器可以由一条信号代入语句来实现。当出现下例情况，称为多个驱动器 b 、 d 共同驱动一个信号 a.

a<=b after 5 ns;

a<=d after 5 ns;

这时， a 的值由判决函数来确定。（见例 4-3 ）（综合不支持判决函数） 4.1.4 generic ( 类属说明语句） generic ( 类属说明语句）用于不同层次之间的信息传递。如：位矢量长度，数组长度，器件延时时间。

例 4-4 定义了一个与门，与门输出的上升和下降延时时间用类属说明 generic 定义了两个参数： (rise,fall).

在例 4-5 中，描述一个由三个与门构成的电路，当调用例 4-4 定义的与门时，用语句： U0: and2 generic map(5 ns,5 ns)

U1: and2 generic map(8 ns,10 ns)

U2: and2 generic map(9 ns,11 ns)

这里三个门的延迟时间均不相同。

4.2 构造体的寄存器传输（ RTL ）描述方式行为描述的可综合性差， RTL 描述方式是真正的可以进行逻辑综合的描述方式， RTL 描述也称为数据流描述。4. 2 .1 RTL 描述方式的特点 1 ）采用寄存器硬件的一一对应的直接描述； 2 ）采用寄存器功能描述。RTL 常用句法：Case---when ; with—select—when; 布尔方程。例 4-6 为四选一数据选择器的 RTL 描述。属寄存器功能描述方法。（用了 when—else 语句）

例 4-8 是二选一数据选择器的例子，用了寄存器硬件的一一对应的直接描述；（描述电路的结构）4.2.2 使用 RTL 描述方式应注意的几个问题1 ）“ X”状态的传递 “X”状态的传递是指不确定信号的传递，它使逻辑电路产生不确定的结果。这种不确定的结果，，对 RTL仿真是允许的，但对综合后的门级电路仿真是不允许的。例 4-9 的含义：当 sel=1 则 y=0, 否则 y=1;

这意味着当 sel=‘X’ 时， y=1 。例 4-10 的含义：当 sel=0 则 y=1, 否则 y=0;

这意味着当 sel=‘X’ 时， y=0 。

其实设计者要想表达的意思是相同的，但得到的结果不同。在编程时要注意。例 4-10 下一段程序为改进方法。

2. 寄存器 RTL 描述的限制（指对寄存器的描述）1 ）禁止在一个进程中存在两个寄存器描述例： process(clk1,clk2)

begin

if (clk1’event and clk1=‘1’) then

y<=a;

end if ;

if (clk2’enent and clk2=‘1’) then

z<=b;

end if ;

End process;

2 ）禁止使用 if 语句中的 else项（使用 if 语句描述寄存器功能时）例： process(clk1)

begin

if (clk’event and clk=‘1’) then

y<=a;

else --禁止使用 y<=b;

end if ;

End process;

D Q

clk

a y

3 ）寄存器描述中必须代入信号值见例 4-13 （即寄存器作为一个实体，要随变量变化。）例中， tmp 为变量，而 y 为寄存器的输出信号，当变量 tmp

变化时， y 要跟着变化。3. 关联性强的信号应放在一个进程中在图 4-7 中，输入有 5 个信号，输出有 4 个信号，其中 a,zin,yin 和 dout 和 eout 关联， a,b,c 和 gout 关联，b 和 fout 关联。则在写程序时，将着三种情况分别写在三个进程中。例 4-14 和例 4-15 描写的结果相同，但 4-15要好。

4.3 构造体的结构描述方式所谓构造体的结构描述，就是在多层次的设计中，高层次的设计模块调用低层次的设计模块，或者直接调用门电路来设计复杂逻辑电路。这种描述结构清晰，对设计人员的要求较高。4.3.1 构造体结构描述的基本框架例 4-16 为一个二选一的例子。

aa

u1

u3

u2

u4

ab

d0

d1

sel

&

&

1

≥1q

nsel

q=(d0 and sel) or (d1 and (not (sel)))

aa

u1

u3

u2

u4

ab

d0

d1

sel

&

&

1

≥1q

nsel

编程的思路为： 1 ）先说明要调用的三个元件： and 、 or2 、 inv

2) 用 PORT MAP 语句进行连接元件。结构描述的三个层次：

1. ASIC级结构描述：一般是门级或更低层次例 4-17 是 ASIC级结构描述的一个例子（门级描述），形成了多个块（ block) ，每个 block 为一个 ASIC芯片。将这些 ASIC芯片放入库中，以备调用。

2.插件板级结构描述：由多个 ASIC芯片形成插件板。如例 4-18 ，一个插件板为一个构造体。存入库中时将其视作元件。3. 系统级结构描述：由多个插件板形成系统。如例 4-19 。

在实际设计中一个元件，或一个 BLOCK ，或一个实体，经编译后均可认为是一个设计单元。

4.3.2 元件说明语句和元件例化语句元件说明是对 VHDL 模块的说明，使之可在其它模块中使用，元件说明可放在程序包中，也可以在某个设计的结构体中声明。元件例化指元件的调用。元件说明语法：

Component< 元件实体名 > Generic < 参数说明 >; port < 元件端口信息，同该元件实现时的实体的 port 部分 >;End component;

-- 元件例化：< 例化名 >:< 实体名 , 即元件名 >port map(< 端口列表>)例如：

u2: and2 port map (nsel,d1,ab);

意思是将与门的输入端 (a,b) 接 (nsel,d1), 输出端 (c) 为ab.

也可写成： u2: and2 port map (a=>nsel,b=>d1,c=>ab);

第一种写法为位置映射法，第二种写法为名称映射法。

&ab

c

and2

第 5 章VHDL语言的主要描述语句

VHDL 常用语句分并行（ Concurrent ）语句和顺序（ Sequential ）语句：并行语句（ Concurrent ） :

顺序语句（ Sequential ） :

并行语句总是处于进程（ PROCESS ）的外部。所有并行语句都是并行执行的，即与它们出现的先后次序无关。如 when..else 语句

顺序语句总是处于进程或子程序的内部，并且从仿真的角度来看是顺序执行的。如 if-then-else 语句

5.1 顺序描述语句5.1.1 wait 语句

wait 语句的四种类型： wait 无限等待 wait on 敏感信号量变化 wait until 条件满足 wait for 时间到

1. Wait on

格式： wait on 信号 [ ，信号 ] ；下面两段程序等效： process(a,b) process

begin begin

y<=a and b; y<=a and b;

end process; wait on a,b;

end process;

可综合高级工具可综合不能在一段程序中既用进程敏感量又用 wait on 语句。

2. Wait until

process

begin

wait until a=‘1’;

c<=not a;

end process;

可综合

3. Wait for

process

begin

c<=not a;

wait until a=‘1’ for 10 ns;

end process;

不可综合，在仿真中使用4. 多条件 wait 语句用的不多； 5. 超时等待是处理等待时间过长的方法。 *综合工具对时间量不支持。

5.1.2 断言（ assert) 语句断言语句用于仿真，便于调试中进行人机会话。格式： ASSERT 条件 [report 输出信息 ][severity 级别 ]

条件为真，向下执行；条件为假，输出错误信息，信息中的字符串用“ ”，以及错误等级。VHDL 错误级别有： failure, error, warning, note

5.1.3 信号代入语句格式：目的信号量 <= 信号量表达式；1 ）“ <= ” 和小于等于号相同，由文中内容区别；2 ）代入符号两边的信号量的位长度应一致。

5.1.4 变量赋值语句变量赋值只能在进程或子程序中使用，无法传递到进程之外。格式：目的变量 := 表达式；例： a:=2; b:=“11101011”;

5.1.5 if 语句 1.门闩控制 If 条件 then 顺序处理语句； end if ;

2 . 二选择控制 If 条件 then 顺序处理语句； else 顺序处理语句； end if ;

3 . 多选择控制 If 条件 then 顺序处理语句； elsif 条件 then 顺序处理语句； … else 顺序处理语句； end if ;

•If 语句常用于选择、比较和译码等场合；*if 后的条件判断，输出为逻辑量，即“真”或“假”，故条件表达式中只能使用关系运算： = ， /= ， >, <等，也可用逻辑运算操作的组合表达式。

例 5-6 为一个 D触发器的描述。d q

clk

例 5-7 为二选一数据选择器描述。MUX

ab

sel

c10

例 5-8 为四选一数据选择器描述。

MUX

input(0)

sel(1)

y10

sel(0)

23

input(1)input(2)input(3)

5.1.6 case 语句格式： case 表达式 is when 条件表达式 => 顺序处理语句； … end case;

四种形式： when 值 => 顺序处理语句； when 值 | 值 |…| 值 => 顺序处理语句；（表示“或”） when 值 to 值 => 顺序处理语句； when others=> 顺序处理语句；例 5-9 为一个数据选择器程序 , 编程思路：1 ）将位信号 a,b转换为整型数 sel;2) 用 case 语句判断 sel 值，决定选择什么数据。

例 5-9 有两处错误： 1 ） sel<=‘0’;(因为 sel 为整型数，而‘ 0’ 表示 0 为位量） 2 ）程序中 sel 为信号，并在进程中使用，而在进程中信号值的改变要等进程执行结束后进行，这和编程的要求相异。 * 应把 sel 在进程中定义为变量，并把所有的 sel<= 改为 sel:= 。

例 5-10 为 3-8 译码器的例子 210

210

543

76

Y(7~0)

cba

&EN

G2BG2AG1

编程思路：1 ）将码输入信号 c,b,a合成为位矢量（ indata)( 用并置符&);

2) 用 if 语句判断使能信号是否有效，如有效，则进入 3 ）；3 ）用 case 语句判断输出。

例 5-11 为二 --十进制编码器的例子。 1 ）为普通编码器，不能同时多个信号有效； 2 ）当无信号输入或有多个信号有效时，程序处理为使 y=“XXX” ，可使电路简单。例 5-12 为二 --十进制优先编码器的例子。本例使用多条件 if 语句进行逐条判断，完成优先编码，例中 input(0)优先级最高。

5.1.7 Loop 语句（循环） 1. For 循环变量格式： for 循环变量 in 离散变量 loop

顺序处理语句； end loop[标号 ] ；例： asum: for i in 1 to 9 loop

sum:=i+sum;

end loop asum;

其中： i 为循环变量，循环变量不必说明。

例 5-13 描述一个奇偶校验电路：• i 为循环变量（整数），不必说明；• tmp 为变量，不能出进程；• y 为信号，可以在进程之外；• 只有单循环时，标号可不要。2) While 条件格式： [标号 ] ： while 条件 loop

顺序处理语句； end loop;

例： i:=1;

sum:=0;

sbcd: while (i<10) loop

sum:=i+sum;

i:=i+1;

end loop sbcd;

例 5-14 同样是一个奇偶校验电路的描述：•使用了 while…loop 语句；•在进程中 i作为整型变量不必要定义（如定义也可）；•For…loop 语句较 while…loop 语句使用的多。

5.1.8 next 语句格式： next [标号 ][when 条件 ] ；在 loop 语句中 Next 语句用来跳出本次循环。 Next 语句执行时将停止本次迭代，而转入下一次迭代。 Next 后的标号表明下一次迭代的起始位置，而 when 条件表明 next 语句执行的条件。如果 next 语句后面既无标号，又无 when 条件说明，则只要执行到该语句就立即无条件地跳出本次循环，从 loop 语句的起始位置进入下一次迭代。

5.1.9 exit 语句格式： exit [标号 ][when 条件 ] ； exit 语句也是 loop 语句中使用的循环控制语句。与Next 语句不同的是，执行 exit 语句将结束循环状态，从 loop 语句中跳出。如果 exit 语句后面既无标号，又无 when 条件说明，则只要执行到该语句就立即无条件地从 loop 语句中跳出，结束循环状态。继续执行 loop 语句后继语句。

5.2 并发描述语句5.2.1 进程（ process) 语句进程语句的几个特点：* 一个构造体中可以有几个进程，它们并发运行，进程中可以存取构造体或实体中所定义的信号；* 进程内的语句都是顺序执行的；* 为启动进程，应包含一个显式的敏感表，或包含一个 wait 语句；* 进程间的通信是通过信号量传递的。

5.2.2 并发代入语句（ <= ）信号代入语句在进程内使用，作为顺序语句；在进程外使用时，作为并发语句。

5.2.3 条件代入语句格式：目的信号量 <= 表达式 1 when 条件 1 else

表达式 2 when 条件 2 else

…

else

表达式 n;例 5-17 为用条件代入语句描述数据选择器的例子。

条件代入语句和 if 语句的区别：•If 只能用在进程内部，为顺序语句；• 条件代入 when 后一定要有 else ，而 if 后可以没有 else ，当 if 后没有 else 时，可以是电路具有保持功能，形成锁存器。由于条件代入中不能自身代入，故不能形成锁存器。5.2.1 选择信号代入格式： with 表达式 select

目的信号量 <= 表达式 1 when 条件1 ，表达式 2 when 条件 2 ， …

表达式 n when 条件 n;

例 5-18 和 5-19 功能相同，均为描述数据选择器。选择条件代入语句和顺序语句 case 类似。5.2.5 并发过程调用语句在例 2-7 中定义了一个名为 vector_to_int 的过程，一个过程有完整的输入和输出，在调用时： * 在前面加标号； * 并发过程调用语句应带有 in,out 或 inout 参数，参数放在（）内； * 并发过程调用可有多个返回值； * 并发过程调用时，返回量一定要是信号； * 在进程中也可调用过程。

5.2.6 块（ block) 语句格式：标号： block

块头 { 说明语句 } ； begin

{ 并发处理语句 } ； end block 标号；

1 ）块头通常用语信号的映射及参数的定义，常用下列语句： generic, generic_map

port, port_map

2 ）说明语句和构造体语句说明语句相同，主要是对该块所要用到的客体加以说明。可说明的项目有： * use 子句； * 子程序说明及子程序体； * 类型； * 常量说明； * 信号说明； * 元件说明。

3. 并发语句常用于结构体的结构化描述。

例 5-20 为一个简单 CPU芯片设计实例框架。芯片包含一个 ALU 和一个 REG8 。而 REG8又由 8个子模块组成，子模块分别为： REG1 ，…， REG8 。在每一个块内有局部信号、数据类型、常数等说明。1)程序的前 6 行，定义了一个数组 tw32( 一维， 3

2 个元素），存放在 Bit32 包中；2)实体为 CPU ，定义 clk,interrupt 为输入， adde

r 为输出， data 为 inout( 双向）；3)构造体名为 cpu_blk, 内部包括两个大的 block（ ALU 和 REG8 ） , 其中 REG8 块中又包含 8个子块（ REG1 ，…， REG8 ）；

说明：1 ） clk, intrrupt, adder, data, 为端口信号，全局使用；2 ）信号 ibus,dbus 是在构造体名和 begin 之间定义的，可以在构造体内部使用；3 ） qbus 是在 ALU 块内部定义的，只能在 ALU 内部使用，另外在 REG1 中也定义了一个 qbus, 这两个信号不相同（建议不要采用同名定义）；4 ） block 中可以嵌套，内层 block 可使用外层块的信号，但外层块不能使用内层块的信号。

5 ）块是一个独立的子结构，通过 port map 和 generic map 语句可以实现块内和块外信息传递例 5-21 说明：这是一个不完整的例子，说明通过 port map

语句把块内的信号和块外的信号相连接。函数

ALU

BLOCK

abusibus

bbus

ibus

dbus

ctbuscomt D_out

构造体data

端口端口

5.3 其它语句和有关规定5.3 .1 命名规则和注释的标记1 ） std_logic 和 std_logic_vector 中的不定值‘ X’ 要大写；2) 在 VHDL 中使用的名字： 1. 首位一定是英文字母； 2. 只能使用英文字母和数字，以及‘ _’ ，字名最后不能用 ‘_’ ； 3. 不能连续使用‘ _’ 。

5.3.2 attribute( 属性）描述与定义语句属性描述与定义语句可以从所指定的客体中获得关心的数据或信息。通过预定义属性描述语句，可以得到客体的有关值、功能、类型和范围。预定义的属性类型有：数值类，函数类，信号类，数据类型类和数据范围类。 1. 数值类属性用于得到数组，块或者数据的有关值。分为 3 个子类： a) 一般数据的数值属性； b) 数组的数值属性； c) 块的数值属性。

1)一般数据的数值属性（共 4 种）格式：客体’属性名。 1. T’LEFT——得到数据类或子类区间的最左端的值； 2. T’RIHHT——得到数据类或子类区间的最右端的值； 3. T’HIGH——得到数据类或子类区间的最高端的值 ;

4. T’LOW——得到数据类或子类区间的最低端的值 .

例： TYPE number IS 0 TO 9;

则： I:=number’LEFT; --I:=0

I:=number’RIGHT; --I:=9

I:=number’HIGH; --I:=9

I:=number’LOW; --I:=0

如将 0 TO 9改为 9 DOWNTO 0 ，则情况就不一样了。

例 5-23 是枚举类型的属性分析TYPE tim IS (sec, min, hous, day, month, year);

这种枚举，将左（ sec)视为低位，右（ year)视为高位 .

TYPE reverse_tim IS tim RANGE month DOWNTO min;

Tim1<=tim’left;--得到 secTim2<=reverse_tim’left;--得到 min( 应该为 month)*教材 (p96) tim5 和 tim6 可能有误。2) 数组的数值属性

A’length—得到数组 A 的长度。例： Type bit4 is array (0 to 3)of bit; len1:=bit4’length; ---len1=4

数值属性也可用于枚举类型，见例 5-25 ：1. t_4val 类型为位，有四种取值 :‘X’,’0’,’1’,’Z’ 。2. t_4valx1 类型为一维数组，其中 (t_4val’low to t_val4’high) 和（ 0 to 3)等效。 t_4valx1 型数组表示：数组中有四个元素，每个元素为一位，取值为 t_4val 型。3. t_4valx2 类型为一维数组， 4×1 ，其中每个元素为四位，取值为 t_4valx1 型。4. t_4valmd 类型为二维数组， 4×4 ，每个元素为一位，取值为 t_4val 型。5. Andsd 为常量，类型为 t_4valx2 。（用数组表示 ‘X’ 、’ 0’ 、’ 1’ 、’ Z’四个两之间的“与”函数值）

5. Andmd 为常量，类型为 t_4valmd 。（用数组表示‘ X’ 、’ 0’ 、’ 1’ 、’ Z’四个两之间的“与”函数值）在例 5-26 中： len1 和 len2 均得到一维数组的长度 =4 ；len3得到得是二维数组的第一区间（行）长度 =4 ；len4得到得是二维数组的第二区间（列）长度 =4 ；3) 块的数组属性 ’① structure ’behavior②1. 用于块的构造体中

2. 如块有标号说明，或构造体有构造体说明，并在块和构造体内不存在 component 语句，那么

’behavior将得到 true 信息。3. 如果在块和构造体中只有 component 语句或被动进程，那么属性’ structure得到 true 信息。

例题 5－ 27 分析：描述了一个四位移位寄存器

d q d q d q d q

cp cp cpcp

left rightdff dff dffdff

clk

i1 i2 i3

u1 u2 u3 u4

1) 程序开始说明了元件 dff;2)从第一个 begin 到 q=>right 描述了以下结构：

3 ）进程 checktime 用来检测时钟跳变间隔是否为 20ns, 如不是，输出错误信息和错误级别 spike on clock ( 时钟破坏）错误级别： warning (警告）其中： last_time 是时间型变量；

4 ）在构造体中，第一个 begin 中只有元件说明，进程 checktime 中无代入语句，（这种进程称为被动进程或无源进程），所以如对构造体施加‘ behavior 和’ structure 属性，则 structural’behavior-----得到“假”； structural’structure-----得到“真”。用来检测构造体的描述方式。

2. 函数类属性属性以函数的形式，让设计人员得到有关数据类型、数组、信号的某些信息：1 ）数据类型属性函数首先应指定一个输入自变量，如 x 。则：’ pos(x) ----得到 x 值的位置序号 ’val(x) ----得到位置序号为 x 的值 ’succ(x) ----得到输入 x 值的下一个值 ’pred(x) ----得到输入 x 值的前一个值 ’leftof(x) ----得到邻接输入 x 的左边值 ’rightof(x) ----得到邻接输入 x 的右边值

例 5－ 28 说明：将物理量 μA 、 μV 、 ohm转换为整数的实例。1 ）包 ohms_law 定义了 current,voltage ,resistance 三种数据类型及基本单位，如 mA,V等。2 ）实体部分

i

er 框图中的三个量分别用包中定义的类型。

3 ）构造体定义三个变量 (整型数）： convi, conve, int_r 然后将输入量转换为整型数进行运算，最后将运算结果为电阻量输出。程序中： convi:=current’pos( i ) --得到输入 i 的位置序号 ,由于 i 的基本单位为微安，范围为 0－ 1000000 ，所以当输入为 10μA 时，序号为 10 ， convi=10.

resistance’Val(int_r) 将整数 int_r转换为单位为ohm 的电阻量。其他属性比较容易理解，请参考例 5－ 29 。

2 ）数组属性函数：利用数组属性函数，可得到数组的区间信息。’left(n) –得到所引号为 n 的区间的左端位置号。 n 指多维数组中所定义的多维区间的序号， n缺省时代表对一维区间操作。

’right(n) –得到所引号为 n 的区间的右端位置号。’high(n) –得到所引号为 n 的区间的高端位置号。’low(n) –得到所引号为 n 的区间的低端位置号。

在递增区域：数组’ low＝数组‘ left; 数组’ high＝数组‘ right 。

在递减区域：数组’ low＝数组’ right; 数组’ high＝数组’ left 。例 5－ 30 说明：随机存取存储器

1 ）包 p_ram: 定义： a) 一维数组： ram_data （ 0－ 511 ） ( 每个元素为整型数） ; b) 常量： x_val= -1; c) 常量： z_val= -2 .

2 ）实体 ram:RAM

data_in

addrcs

r_wb

data

3) 构造体 a) 进程： main_proc,敏感量（ cs,add,r_wb) b) 定义变量 ram_data1, 数组，暂存存储器内容； ram_init, 清零标志，布尔量，初值为‘假’。 c)给数组 ram_data1清零：（应用 ram_data1’low to ram_data1’high loop) d) 以下流程图为存取过程：

cs=‘x’或 r_wb=‘x’Data= -1

Data= -2

Data= -1

cs=‘0’

N

Y

Y

r_wb=‘1’

地址为－ 1 或－ 2

NN

片选有效片选无效

地址为－ 1 或－ 2

（写）Y（读）

将 ram_data1 中地址为addr 中的数送到输出端 data.

给出出错信息及等级并将输出 data 置为－ 1 。

data_in=>ram_data1(addr)ram_data1(addr)=>data

N

Y

Y

N

3 ）信号属性函数信号属性函数得到信号行为信息。a) s’event 返回布尔值。反映在当前相当小的一段时间内，是否有事件发生。（含义更广泛）b)s’active 返回布尔值。反映在当前相当小的一段时间内，是否信号发生变化。c)s’last_event 返回时间值。反映信号前一个事件发生到现在所经过的时间。d)s’last_value 返回一个值。反映信号最后一次改变前的值。e)s’last_active 返回时间值。反映信号前一次改变到现在所经过的时间。

例 5－ 31 ：想用来检测上升沿，即 0→1 ，但如出现由 X →1,仍然作为条件满足。P105页，最后三行，增加了（ clk’last_value=‘0’),则，如条件满足，一定是 0→1 。

例 5－ 32 ：利用‘ last_event 属性对 d触发器信号变化的建立时间进行检查的实例。 1 ）在实体中引入了一个无源进程（进程中没有代入语句），检查上一次 d 的变化到 clk 的上升沿时间是否大于 setup_time. 2) 实体中引入进程，可以被所有构造体共享。（本例的检查也可以放在构造体中进行）

•属性’ active 和’ last_active 由信号发生变化或事件发生时被触发，当一个模块的输入或输入输出端口发生某一事件时，将启动模块执行。（ VHDL 对信号有严格说明）3. 信号类属性信号类属性用于产生一种特别的信号，这个特别的信号是以所加属性的信号为基础而形成的。

4 种信号类属性•s’delayed[(time)]----产生一个延时信号，延时信号特征与属性所加信号相同。

• s’stable[(time)]----返回布尔值，在括号内的时间表达式所说明的时间内，若参考信号没有发生事件，得到“真”。• s’quiet[(time)]----返回布尔值，在括号内的时间表达式所说明的时间内，若参考信号没有发生转换或其他事件，得到“真”。• s’transaction---- 可建立一个 bit 型信号，当属性所加信号发生转换或事件时，其值都将发生改变。

设计举例

1) 多数决定的数字滤波器（ 4 位）滤波器输出信号 d_f 的取值由滤波器输入信号前N次采样值表决而定，原则是多数取胜。假定采样次数 N 为 3 ，若 (d_in(N-2)+d_in(N-1)+d_in≥2则 d_f 的取值为‘ 1’ ，否则为‘ 0’ 。提示：设计要利用数组和循环语句。见文件 majority.vhd

library ieee;


use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity majority is

port (clk,resetn: in std_logic;

d_in: in std_logic_vector(3 downto 0);

d_f : out std_logic_vector(3 downto 0));

end;

architecture rtl of majority is

type array_4 is array(3 downto 0)of std_logic_vector(2 downto 0);

signal s_d:array_4;

signal d_f_i:std_logic_vector(3 downto 0);

begin

process(clk,resetn)

begin

if resetn='0' then

for i in 0 to 3 loop

s_d(i)<="000";

end loop;

elsif clk'event and clk='1'then


s_d(i)(0)<=d_in(i);

for j in 0 to 1 loop

s_d(i)(j+1)<=s_d(i)(j);

end loop;

end loop;

end if;

end process;

该进程完成将三位数并行读入

process (s_d)

type array_42 is array(3 downto 0)of std_logic_vector(1 downto 0);

variable ct:array_42;

begin


ct(i) :=('0'&s_d(i)(2))+('0'&s_d(i)(1))+('0'&s_d(i)(0));

if ct(i)>=2 then

d_f_i(i)<='1';

else

d_f_i(i)<='0';

end if;

end loop;

end process;

该进程完成输出数据计算

process (clk,resetn)

begin

if resetn='0' then

d_f<=(others=>'0');

elsif clk'event and clk='1' then

d_f<=d_f_i;

end if;

end process;

end;

该进程完成输出赋值

2) 二进制转换为格雷码（ 8 位）提示：设二进制码为 A=a7a6a5a4a3a2a1a0 格雷码为 Y=y7y6y5y4y3y2y1y0

则： y7=a7 ; yi=ai+1 ai ; i≠7

见文件： bintogray.vhd

library ieee;


entity bintogray is

port (a: in std_logic_vector(7 downto 0);

y: out std_logic_vector(7 downto 0));

end;

architecture rtl of bintogray is

begin

process (a)

variable tmp:std_logic_vector(7 downto 0);

begin

tmp(7):=a(7);

for i in 6 downto 0 loop

tmp(i):=a(i) xor a(i+1);

end loop;

y<=tmp;

end process;

end rtl;

3) 设计一个乘常数的电路从资源和速度考虑，常系数乘法运算可用移位相加来实现。 ( 下例为乘 71 电路设计）算法： 71=26 + 23 – 1

下面是一个 9 位数 din 和 71 相乘的例子，结果舍去了最后一位。程序见 cx71.vhd

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.all;

USE ieee.std_logic_arith.all;

ENTITY cx71 is

PORT

( clk : IN STD_LOGIC;

Din : IN SIGNED (8 DOWNTO 0);

Dout : OUT SIGNED (14 DOWNTO 0)

);

END cx71;

ARCHITECTURE a OF cx71 IS

SIGNAL s1 : SIGNED (11 DOWNTO 0);


SIGNAL s3 : SIGNED ( 9 DOWNTO 0);


BEGIN

s1(11 DOWNTO 3)<=Din;

s1( 2 DOWNTO 0)<="000";

--implementing 2^3*Din - Din

s2<=(s1 - Din);

--implementing 2^6*Din + 2^3*Din - Din

s3<=(Din + s2(11 DOWNTO 6));

s4(14 DOWNTO 5)<=s3;

-- truncating one bit

s4( 4 DOWNTO 0)<=s2(5 DOWNTO 1);

-- pipeling

dff: PROCESS

BEGIN

WAIT UNTIL clk = '1';

Dout<= s4;

END PROCESS;

END a;

4 ） Mealy 型状态机

组合逻辑寄存器Input

Output

clk

reset当前状态

S0 S1

S2S3

其他 /0000 其他 /1001

其他 /1100其他 /1111

1/1001

0/1100

1/1111

0/0000

一个 Mealy 型状态机的例子

程序见mealy.vhd

library ieee;


ENTITY mealy IS

PORT(clk,in1,reset: IN STD_LOGIC;

out1: OUT STD_LOGIC_vector(3 downto 0));

END ;

architecture bhv of mealy is

type state_type is (s0,s1,s2,s3);

signal state:state_type;

begin

p0: process (clk,reset)

begin

if reset='1' then

state<=s0;


CASE state IS

WHEN s0 =>if in1='1'then

state<=s1;

end if;


state<=s2;

end if;


state<=s3;

end if;


state<=s0;

end if;

END CASE;

end if;

end process p0;

该进程完成状态转换的描述

out_p:process(state,in1)

begin

case state is

when s0 => if in1='1' then out1 <="1001";

else

out1 <="0000";

end if;


else

out1 <="1001";

end if;

when s2=> if in1='1' then out1 <="1111";

else

out1 <="1100";

end if;


else

out1 <="1111";

end if;

end case;

end process;

end bhv;

该进程完成由状态和输入决定输出

5 ） Moore 型状态机

组合逻辑组合逻辑寄存器input output

clk

reset当前状态

次状态Process

p1

Processp0

Processp2

S0 S1

S2S3

1

0

1111

0000 1001

11001

0

程序分析见moore.vhd

前一个例子的 moore 型形式：

library ieee;


ENTITY moore IS

PORT(

clk,in1,reset : IN STD_LOGIC;

out1: OUT STD_LOGIC_vector(3 downto 0));

END ;

architecture bhv of moore is

type state_type is (s0,s1,s2,s3); -- 状态说明 signal current_state,next_state:state_type;

begin

p0: process (clk,reset) -- 时钟进程 begin

if reset='1' then

current_state <= s0;


current_state<=next_state;

end if;

end process;

p1: process(current_state,in1) -- 组合进程begin

CASE current_state IS


next_state<=s1; end if;







END CASE;

end process;

p2:process(current_state) -- 组合进程 begin

case current_state is

when s0 => out1 <="0000";

when s1 => out1 <="1001";

when s2 => out1 <="1100";

when s3 => out1 <="1111";

end case;

end process;

end bhv;

6 ）带有类属参数的计数器通过类属参数，可以方便地改变计数器的模。分析见程序 cntnbits.vhd

nreset

ciclk

co

qcnt

计数器

library ieee;



entity cntnbits is

generic(cwh:integer:=5);

port(ci,nreset,clk : in std_logic;

co : out std_logic;

qcnt :buffer std_logic_vector(cwh-1 downto 0));

end cntnbits;

architecture behave of cntnbits is

constant allis :std_logic_vector(cwh-1 downto 0):=(others=>'1');

begin

co<='1' when(qcnt=allis and ci='1') else '0';

process(clk,nreset)

begin

if(nreset='0')then

qcnt<=(others=>'0');

elsif(clk'event and clk='1')then

if(ci='1')then

qcnt<=qcnt+1;

end if;

end if;

end process;

end behave;

7）寄存器和移位寄存器下面的实例介绍触发器、移位寄存器的设计，说明元件、过程调用等方面知识。

a) 一个带异步清零的 D 触发器D

CLK

QR

D触发器dff: R为异步清零端,CLK上升沿触发;PORT (D,R,CLK : in std_logic; Q : out std_logic);

library ieee;


entity dff1 is

port(d,clk,r:in std_logic;

q:out std_logic);

end ;

architecture rtl of dff1 is

begin

process(clk,r)

begin

if r='1' then q<='0';

elsif (clk'event and clk='1') then

q<=d;

end if;

end process;

end rtl;

见程序 dff1.vhd

b) 串行输入、串行输出移位寄存器 shift8

D

CLK

QR

D

CLK

QR D

CLK

QR D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QRA

CLK

RB

方法一：调用 dff1 组成。（ dff1 和 shift8 在同一目录下）

D

CLK

QR

D

CLK

QR D

CLK

QR D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QR

D

CLK

QRA

CLK

RB

library ieee;


entity shift8 is

port(a,clk,r:in std_logic;

b:out std_logic);

end;

architecture rtl of shift8 is

component dff1

port(d,clk,r:in std_logic;

q:out std_logic);

end component;

signal z :std_logic_vector(0 to 8);

begin

z(0)<=a;

g1:for i in 0 to 7 generate

dffx: dff1 port map (z(i),clk,r,z(i+1));

end generate;

b<=z(8);

end rtl;

见程序 shift8.vhd

方法二：直接利用信号来连接。注意信号赋值的特点。library ieee;


entity shift8a is

port(a,clk : in std_logic;

b: out std_logic);

end;

architecture rtl of shift8a is

Signal d_1,d_2,d_3,d_4,d_5,d_6,

d_7,d_8 :std_logic;

begin

process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1')then

d_1<=a;

d_2<=d_1;

d_3<=d_2;

d_4<=d_3;

d_5<=d_4;

d_6<=d_5;

d_7<=d_6;

d_8<=d_7;

b<=d_8;

end if;

end process;

end rtl;程序见 shift8a.vhd

c) 循环移位寄存器在计算机的运算操作中经常用到循环移位。八位循环左移的寄存器电路框图如下。电路有八个数据输入端 din(7)~din(0), 移位和置数控制端 enb, 时钟信号输入端 clk, 移位位数控制输入端 s(2)~s(0),八位数据输出端 dout(7)~dout(0).

功能：当 enb=1 时，根据 s(2)~s(0) 输入的数值，确定在时钟脉冲作用下，循环左移几位；当 enb=0 时，在时钟作用下，将数据 din 直接传输到 dout 。

7 6 5 4 3 2 1 0

dout(7)~dout(0)

din(7)~din(0)

s(2)s(1)s(0)

enb

clk循环移位寄存器

7 6 5 4 3 2 1 0

例如：当 enb=1 时， s(2)s(1)s(0)=100 时。

电路设计方法：1 ）将循环左移寄存器描述为一个名为 shiftp 的过程（ procedure);2) 将过程 shiftp 定义在包名为 cpac 的包中；3) 在实体描述中调用过程，实现移位。

dout(7)~dout(0)

MSB

MSB

LSB

LSB

移位前

移位后

library ieee;


use ieee.std_logic_arith.all;


package cpac is

procedure shiftp(din,s :in std_logic_vector;

signal dout :out std_logic_vector);

end cpac;

package body cpac is

procedure shiftp(din,s :in std_logic_vector;

signal dout :out std_logic_vector)is

variable sc :integer;

begin

sc:=conv_integer(s);

for i in din'range loop

if(sc+i<=din'left)then

dout(sc+i)<=din(i);

else

dout(sc+i-din'left)<=din(i);

end if;

end loop;

end shiftp;

end cpac; 程序见 cpac.vhd

八位移位寄存器描述：library ieee;


use work.cpac.all;

entity bsr is

port(din:in std_logic_vector(8 downto 1);

s:in std_logic_vector(2 downto 0);

clk,enb:in std_logic;

dout :out std_logic_vector(8 downto 1));

end;

architecture rtl of bsr is

begin

process(clk)

begin

if (clk'event and clk='1') then

if (enb='0') then

dout<=din; else

shiftp(din,s,dout);

end if;

end if;

end process;

end rtl;

程序见 bsr.vhd, 由于 maxplusII不支持过程调用语句，该程序可利用 quartusII 运行。

8 ）存储器存储器分为 : 只读存储器（ ROM) 随机存取存储器 (RAM)

下面是两个可综合的 ROM 和 RAM 的例子。

a) 一个容量为 4×8 的 rom 例子实现方法： ( 改变参数可改变容量 ) 1 ）把 ROM 中要存放的内容先定义为一个数组，并存放在一个包文件内； 2 ）在实体中调用数组，进行初始化。

clk

addr[1..0]

1 0

q[7..0]

ROM

4×8

library ieee;


package rom is

constant rom_width:integer:=8;

constant rom_length :integer:=4;

subtype rom_word is std_logic_vector(rom_width-1 downto 0);

type rom_table is array(0 to rom_length-1)of rom_word;

constant rom: rom_table :=rom_table'("00101111","11010000","01101010",

"11101101");

end;

clk

addr[1..0]

1 0 q[7..0]

ROM4×8

说明： 1 ）该包可以单独保存在当前目录下，也可以直接放在下面的实体前； 2 ）本设计定义了一个常量型数组，即为 ROM 中内容； 3 ）常量型数组的这种定义方式， maxplusII 不支持， quartusII 支持。

library ieee;



use work.rom.all;

entity waveform is

port(clk:in std_logic;

addr: in std_logic_vector(1 downto 0);

q: out rom_word);

end;

clk

addr[1..0]

1 0

q[7..0]

WAVEFORM

architecture test of waveform is

signal tmp: rom_word;

begin

tmp<=rom(conv_integer(addr));

process(clk)

begin

if clk='1' then q<=tmp;

end if;

end process;

end test;

b) 一个容量为 8×8 的 RAM

例子实现方法： ( 改变参数可改变容量 )

1) 有 3 根地址线，可选 8 个字； 2) 8 根数据输入线，即字长为 8 ； 3) wr 为写控制线， rd 为读控制线， cs 为片选控制线； 4) cs=1,wr 信号由低变高时，将 din 上的数据写入 adr所指定的单元； cs=1,rd=0 时，由 adr 所指定单元的内容将从 dout输出。

Dout[7..0]

Din[7..0]

wrrdcs

Adr[2..0]

8×8

SRAM

library ieee;



entity sram64 is

generic(k:integer:=8;

w:integer:=3);

port (wr,rd,cs:in std_logic;

adr:in std_logic_vector(w-1 downto 0);

din:in std_logic_vector(k-1 downto 0);

dout:out std_logic_vector(k-1 downto 0));

end sram64;

architecture beh of sram64 is

subtype word is std_logic_vector(k-1 downto 0);

type memory is array(0 to 2**w-1)of word;

signal adr_in :integer range 0 to 2**w-1;

signal sram :memory;

begin

adr_in<=conv_integer(adr);

process(wr)

begin

if(wr'event and wr='1‘ and cs=‘1’) then

sram(adr_in)<=din ;

end if;

end process;

process(rd,cs)

begin

if(rd='0' and cs='1')then

dout<=sram(adr_in);

else

dout<="ZZZZZZZZ";

end if ;

end process;

end beh;

见程序 sram64.vhd ，程序在 quartusII 上运行。

c) 一个带时钟的容量为 8×8的 RAM 例子实现方法： ( 改变参数可改变容量 )

1) 有 3 根地址线，可选 8个字； 2) 8 根数据输入线，即字长为 8 ； 3) wr 为写控制线， rd 为读控制线， cs 为片选控制线； 4) cs=1,wr=1 时， clk 的上升沿来到时将 din 上的数据写入 adr 所指定的单元； cs=1,rd=0 时， clk 的上升沿来到时将 adr 所指定单元的内容送至 dout 输出。

Dout[7..0]

Din[7..0]

wrrdcs

Adr[2..0]

8×8

SRAM

clk

library ieee;



entity sram64clk is

generic(k:integer:=8;

w:integer:=3);

port(clk,wr,rd,cs:in std_logic;

adr:in std_logic_vector(w-1 downto 0);

din:in std_logic_vector(k-1 downto 0);

dout:out std_logic_vector(k-1 downto 0));

end ;

architecture beh of sram64clk is

subtype word is std_logic_vector(k-1 downto 0);

type memory is array(0 to 2**w-1)of word;

signal adr_in :integer range 0 to 2**w-1;

signal sram :memory;

begin

adr_in<=conv_integer(adr);

process(clk)

begin

if( wr='1' and cs='1') then

if(clk'event and clk='1') then

sram(adr_in)<=din ;

end if;

end if;

end process;

process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1' )then

if(rd='0' and cs='1')then

dout<=sram(adr_in) ;

else dout<="ZZZZZZZZ";

end if;

end if ;

end process;

end beh;

程序见 sram64clk.vhd, 在 quartusII 上运行。

9 ）并行输入、串行输出的寄存器 PISO 在实际电路系统的应用中，当需要远距离通信传输时，常需要将 A/D 转换过的并行信号先加载，然后再一串行信号的形式传送到远方，需要使用 PISO 。

pisold

Par_inclk

Ser_outbusySh_comp8 位 Piso 功能：

a) 在时钟上升沿，若 ld=1, 则将 8 位并行输入信号 par_in 加载到转换电路的内部寄存器，并将状态标志 busy 置位为‘ 1’ ；在 8 位并行数据全部移出之前， busy 保持为‘ 1’ ，并禁止再次加载数据；

b) 在时钟上升沿，若 busy=1 ，则逐位将内部寄存器的数据移出，在数据全部移出之前，移位终止信号 sh_comp 保持为‘ 0’ ，在数据全部移后，将 sh_comp 置为‘ 1’ ， busy 置为‘ 0’ 。

library ieee;


entity par_to_ser is

port(clk,ld:in std_logic;

par_in:in std_logic_vector(7 downto 0);

busy: buffer std_logic;

ser_out:out std_logic;

sh_comp: out std_logic);

end;

pisold

Par_inclk

Ser_outbusySh_comp

architecture alg of par_to_ser is

signal reg:std_logic_vector(7 downto 0);

begin

process(clk,reg,ld)

variable i:integer ;

begin

if( clk'event and clk='1') then

if (ld='1' and busy='0') then

i:=0;

reg<=par_in;

busy<='1';

elsif (busy='1') then

if i<=7 then

sh_comp<='0';

ser_out<=reg(0);

reg<='0'&reg(7 downto 1);

i:=i+1;

else sh_comp<='1';

busy<='0';

end if;

end if ;

end if;

end process ;

end alg; 程序见 par_to_ser.vhd

10 ）双向电路和三态控制电路a) 三态门

Dataout{7..0]

enb

Datain{7..0][7..0] [7..0]

library ieee;


entity tri_gate is

port(enb :in std_logic;

datain:in std_logic_vector(7 downto 0);

dataout :out std_logic_vector(7 downto 0));

end ;

architecture beh of tri_gate is

begin

process(enb,datain)

begin

if enb='1' then dataout<=datain;

else dataout<="ZZZZZZZZ";

end if ;

end process;

end beh;

程序见 tri_gate.vhd

b) 双向端口电路control

In/out1[7..0] [7..0] [7..0] In/out2[7..0]

原理示意图

Control=1: in/out1 输入， in/out2 输出。Control=0: in/out1 输出， in/out2 输入。

out1{7..0]

control

in1{7..0][7..0] [7..0] [7..0]

In/out2[7..0][7..0]

结构图（图中 in1 和 out1 可以合在一起）

library ieee;


entity tri_state1 is

port(control :in std_logic;

in1:in std_logic_vector(7 downto 0);

inout2 :inout std_logic_vector(7 downto 0);

out1:out std_logic_vector(7 downto 0));

end ;

architecture beh of tri_state1 is

begin

process(control,inout2,in1)

begin

if control='0' then

out1<=inout2;

inout2<="ZZZZZZZZ";

else inout2<=in1; out1<="ZZZZZZZZ";

end if ;

end process;

end beh;程序见 tri_state1.vhd原理图文件见 tri1.bdf

11) A/D0809采样控制电路 ADC0809 是 CMOS 的 8 位 A/D 转换器，片内有 8 路模拟开关，可控制 8 个模拟量中的一个进入转换器中。 ADC0809 的精度为 8 位，转换时间约 100μ 含锁存控制的 8 路多路开关，输出有三态缓冲器控制，单 5V 电源供电。

In3In4In5In6In7

STARTEOCID4IOECLKVCC

REF+GND

D6

In2In1In0ADDAADDBADDCALED0D1D2D3D7REF-D5

ADC0809

主要控制信号说明：1 ）输入信号：START: 转换启动信号，高电平有效；ALE ： 3 位通道地址锁存信号，高电平有效；OE : 输出使能，高电平有效。2 ）输出信号：EOC ：转换状态信号，当 START 有效后约（ 100μ ）后， EOC产生一个负脉冲，以示转换结束，在 EOC 上升沿后，可以读出数据。

STARTALEEOC

OE

D[7..0] ZZZZZZZ DATA

ADC0809工作时序

D[7..0]

EOC

CLK STARTALEOEADDA

LOCK1

Q[7..0]

LOCK

REGL

控制电路

{来自0809

｝送到0809

library ieee;


entity adcint is

port(d:in std_logic_vector(7 downto 0); --0809 的 8 位数据输出 clk,eoc:in std_logic;

lock1,ale,start,oe,adda:out std_logic; --lock1 为输出数据锁存信号 q:out std_logic_vector(7 downto 0));

end;architecture beh of adcint is

type states is (st0,st1,st2,st3,st4,st5,st6); -- 定义各状态（枚举类型）signal current_state,next_state:states:=st0;

signal regl :std_logic_vector(7 downto 0);

signal lock :std_logic; -- 转换后数据输出锁存时钟begin

adda<='1';lock1<=lock;

pr0: process(current_state,eoc)

Begin -- 规定各状态转换方式case current_state is

when st0=>ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='0';next_state<=st1;



when st3=>ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='0';

if(eoc=‘1’)then next_state<=st3; --测试 EOC 的下降沿 else next_state<=st4;-- 下降沿到 end if;

when st4=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock<=‘0’;--EOC 为低电平 -- 测试 EOC 的上升沿，表明转换结束 if(eoc='0')then next_state<=st4;

else next_state<=st5; --EOC 上升沿到 end if;

when st5=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘1’; -- 转换结束，输出使能有效 lock<='0';next_state<=st6;

when st6=>ale<='0';start<='0';oe<='1';

lock<=‘1’;next_state<=st0; --lock 的上升沿，将数据存入 REGL

when others=>ale<='0';start<='0';oe<='0';lock<='0';next_state<=st0;

end case;

end process pr0;

pr1:process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1')then current_state<=next_state;-- 在时钟上升沿，转换到下一个状态 end if;

end process pr1;-- 由信号 current_state 将当前状态值带出此进程，进入进程 pro

pr2:process(lock)—此进程中，在 LOCK 的上升沿，将转换好的数据保存并输出begin

if (lock='1' and lock'event) then

regl<=d;

end if;

end process pr2;

q<=regl;

end beh;

12 ）移位相加型乘法器（ 8 位）设计乘法器以 8 位加法器为核心，辅以移位寄存器组成。乘法原理：乘法通过逐项移位相加原理实现，从被乘数的最低位开始，若为 1 ，则乘数左移后与上一次的和相加；若为 0 ，乘数左移后加 0 ，直至被乘数的最高位。

并入串出移位寄存器 8 位被乘数

8 位

乘法器 1×8 位

乘数 8 位 8 位加法器

8 位

输出[15..0]

16 位锁存器右移寄存器

9 位输出高 8 位 [15..8]

clk

a)8 位右移寄存器

library ieee;


entity sreg8b is

port(clk,load:in std_logic;

din:in std_logic_vector(7 downto 0);

qb :out std_logic);

end;

architecture beh of sreg8b is

signal reg8: std_logic_vector(7 downto 0);

begin

process(clk,load)

begin

if load='1' then reg8<=din;


reg8(6 downto 0)<=reg8(7 downto 1);

end if;

end process;

qb<=reg8(0); --- 输出最低位end beh;

b) 1×8 位乘法器（可有多种结构）library ieee;


entity andarith is—结构（ 1 ） port(abin:in std_logic;



end;

architecture beh of andarith is

begin

process(abin,din)

begin


dout(i)<=din(i) and abin;

end loop;

end process;

end beh;

library ieee;


entity andarith1 is—结构（ 2 ） port(abin:in std_logic;



end;

architecture beh of andarith1 is

begin

process(abin,din)

begin

if abin='0' then dout<="00000000";

else

dout<=din;

end if;

end process;

end beh;

library ieee;


entity andarith2 is --结构 (3)

port(abin:in std_logic;



end;

architecture beh of andarith2 is

begin

dout<="00000000" when (abin='0') else din;

end beh;

c) 8 位加法器library ieee;



entity adder8 is

port(a,b :in std_logic_vector(7 downto 0);

s :out std_logic_vector(8 downto 0));

end;

architecture beh of adder8 is

begin

s<='0'&a+b;

end beh;

d) 16 位锁存器 /右移寄存器library ieee;


entity reg16b is

port(clk,clr:in std_logic;

d:in std_logic_vector(8 downto 0);

q :out std_logic_vector(15 downto 0));

end;

architecture beh of reg16b is

signal r16s: std_logic_vector(15 downto 0);

begin

process(clk,clr)

begin

if clr='1' then r16s<=(others=>'0');


r16s(6 downto 0)<=r16s(7 downto 1);

r16s(15 downto 7)<=d;

end if;

end process;

q<=r16s;

end beh; 8 位乘法器可用上面四各电路组成，原理图文件见 mult8.bdf, 在 quartusII上运行。 (8 个 clk 后为正确值 ).

延时电路的几个例子

library ieee;


entity delay is

port(reset,clk:in std_logic;

time_out :out std_logic);

end;

architecture beh of delay is

Begin

process(reset,clk)

variable count:std_logic_vector(3 downto 0);

下例调用了一个定义在 process 中的函数 inc 实现二进制计数器，最终实现输出信号延时。

function inc(x:in std_logic_vector) return std_logic_vector is

variable xv:std_logic_vector(x'length-1 downto 0);

begin

xv:=x;

for i in 0 to xv'high loop

if xv(i)='0' then

xv(i):='1';

exit;

else

xv(i):='0';

end if;

end loop;

return xv;

end inc;

begin

if reset='1' then

count:="0000";time_out<='0';


count:=inc(count);

end if;

if(count="1111")then

time_out<='1';

end if;

end process ;

end beh;

下例同样调用函数 inc 实现二进制计数器，和上例不同的是先将函数定义在包 mypack_1 中，然后调用，最终实现输出信号延时。library ieee;


package mypack_1 is

function inc(x:in std_logic_vector)

return std_logic_vector ;

end;

package body mypack_1 is

function inc(x:in std_logic_vector)

return std_logic_vector is

variable xv:std_logic_vector(x'length-1 downto 0);

begin

xv:=x;

for i in 0 to xv'high loop

if xv(i)='0' then

xv(i):='1';

exit;

else

xv(i):='0';

end if;

end loop;

return xv;

end inc;

end mypack_1;

library ieee;


use work.mypack_1.all;

entity delay_2 is



end;

architecture beh of delay_2 is

begin

process(reset,clk)


begin

if reset='1' then

count:="0000";time_out<='0';

elsif (clk'event) and (clk='1') and (clk'last_value='0')then

count:=inc(count); if(count="1111") then time_out<='1';

end if;

end if;

end process ;

end beh;

下例采用移位方法求延时，移位算法：按下算法（四位）最长序列为 15n 1 n 1 n 1 n 1 n n n n n3 2 1 0 1 0 3 2 1Q Q Q Q (Q Q )Q Q Q

library ieee;


entity delay_1 is



end;

architecture beh of delay_1 is

begin

process(reset,clk)


begin

if reset='1' then

count:="0001"; time_out<='0';


count:=(count(1)xor count(0))&count(3 downto 1);

end if;

if(count="0011")then

time_out<='1';

end if;

end process;

end beh;

下例采用一般计数器的设计方法，实现延时：

library ieee;



entity delay_3 is

port(CLK,CLRN :IN STD_LOGIC;

CO:OUT STD_LOGIC);

END;

ARCHITECTURE BEH OF delay_3 IS

BEGIN

PROCESS(CLK,CLRN)

variable q :std_logic_vector(3 downto 0);

BEGIN

IF (CLRN='1') THEN q:="0000";co<='0';

ELSIF(CLK'EVENT AND CLK='1') THEN

IF (q="1111")THEN q:="0000"; co<='1';

ELSE q:=q+1;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

END BEH;

MAX+PLUSII 开发软件中的参数化模块1. 参数化数据选择器 lpm_mux宏模快

端口名称功能描述输入端口 Data[ ][ ] 数据流输入端口

Sel[ ] 地址选择线输出端口 Result[ ] 数据输出线

参数设置LPM_WIDTH Data[ ][ ] 和 Result[ ] 端口宽度

LPM_WIDTHS Sel[ ] 端口宽度LPM_SIZE 输入数据流的数目，等于 2LPM——WIDTHS

另有清零和寄存设置

2. 参数化加法器 /减法器 lpm_add_sub宏模快端口名称功能描述

输入端口 Dataa[ ] 被加数 /被减数Datab[ ] 加数 /减数

输出端口Result[ ] Dataa[ ]+ Datab[ ]+cin 或 Dataa[ ]- Datab[ ]+cin-

1

Cout 进位和借位标志 Cout 用于无符号数运算 Overflow 用语有符号数运算 Cout和 Overflow 不同时出现

Overflow 溢出标志

参数设置LPM-width Dataa[ ] 、 Datab[ ] 和 Result[ ] 端口宽度

LPM_DIRECTIONADD表示执行加法运算SUB表示执行减法运算DEFAULT缺省设置为加法器

LPM_REPRESENTATION

指定参与运算的数值是无符号数还是有符号数另有清零和寄存设置

3. 参数化乘法器 lpm_mult宏模快端口名称功能描述

输入端口Dataa[ ] 被乘数Datab[ ] 乘数Sum[ ] 部分和 ( 可以不使用）

输出端口 Result[ ] Result[ ] =Dataa[ ]×Datab[ ]+sum

参数设置

LPM-WIDTHA Dataa[ ] 端口宽度LPM-WIDTHB Datab[ ] 端口宽度LPM-WIDTHP Result[ ] 端口宽度LPM-WIDTHS SUM 端口宽度

LPM_REPRESENTATION

指定参与运算的数值是无符号数还是有符号数USE_EAB 选择使用 EAB 或逻辑单元实现乘法器，“ o

n” 为使用 EAB ， “ off” 为使用逻辑单元。另有清零和寄存设置

4. 参数化译码器 lpm_decode宏模快端口名称功能描述

输入端口 data[ ] 数据输入输出端口 eq[ ] 译码输出

参数设置LPM_WIDTH Data[ ] 端口宽度

LPM_DECODES译码器输出的端口数目

等于 2LPM_WIDTHS

另有清零和寄存设置

5. 参数化 RAM宏模快参数化 RAM 可以随时在任一指定地址写入或读出数据。有多个模块

模块名功能描述Csdpram 参数化循环共享双端口 RAM

Lpm_ram_dp 参数化双端口 RAM

Lpm_ram_dq 参数化 RAM ，输入 / 输出端口分离Lpm_ram_io 参数化 RAM ，输入 / 输出端口共用

下面为 Lpm_ram_dq 的参数表一端口名称功能描述

输入端口

Data[] 输入数据Address[ ] 地址端口

we 写使能端口，高电平时向 RAM 写入数据Inclock 同步写入时钟

Outclock 同步读取时钟输出端口 Q[ ] 数据输出端口

参数设置LPM_WIDTH Data[] 和 Q[ ] 端口的数据线宽度

LPM_WIDTHAD Address[ ] 端口宽度LPM_numwords RAM 中存储单元的数目USE_EAB 选择使用 EAB 或逻辑单元

下面为 Lpm_ram_dq 的参数表二同步数据读 / 写操作同步数据读取异步存储器操作

inclock we 功能描述 outclock 功能描述 we 功能描述Not~ x 状态不变 Not~ 状态不变 L 状态不变

~（写） H 写入数据~ 读出数据 H 写入数据

~（读） L 读出数据“~”表示时钟发生变化，“ not~”表示时钟不发生变化

一个 VHDL 设计由若干个 VHDL 文件构成，每个文件主要包含五个部分的一个或全部：在 max+plusⅡ 中后缀为（ VHD).

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