一個(gè)VHDL程序代碼包含實(shí)體（entity）、結(jié)構(gòu)體（architecture）、配置（configuration）、程序包（package）、庫（library）等。

一、數(shù)據(jù)類型

1.用戶自定義數(shù)據(jù)類型

使用關(guān)鍵字TYPE，例如：

TYPE my_integer IS RANGE -32 TO 32;

–用戶自定義的整數(shù)類型的子集

TYPE student_grade IS RANGE 0 TO 100;

–用戶自定義的自然數(shù)類型的子集

TYPE state IS (idle, forward, backward, stop);

–枚舉數(shù)據(jù)類型，常用于有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)定義

一般來說，枚舉類型的數(shù)據(jù)自動(dòng)按順序依次編碼。

2.子類型

在原有已定義數(shù)據(jù)類型上加一些約束條件，可以定義該數(shù)據(jù)類型的子類型。VHDL不允許不同類型的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行操作運(yùn)算，而某個(gè)數(shù)據(jù)類型的子類型則可以和原有類型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行操作運(yùn)算。

子類型定義使用SUBTYPE關(guān)鍵字。

3.數(shù)組(ARRAY)

ARRAY是將相同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)集合在一起形成的一種新的數(shù)據(jù)類型。

TYPE type_name IS ARRAY (specification) OF data_type;

–定義新的數(shù)組類型語法結(jié)構(gòu)

SIGNAL signal_name: type_name [:= initial_value];

–使用新的數(shù)組類型對SIGNAL，CONSTANT, VARIABLE進(jìn)行聲明

例如：

TYPE delay_lines IS ARRAY (L-2 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_IN-1 DOWNTO 0);

–濾波器輸入延遲鏈類型定義

TYPE coeffs IS ARRAY (L-1 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_COEF-1 DOWNTO 0);

–濾波器系數(shù)類型定義

SIGNAL delay_regs: delay_lines;– 信號延遲寄存器聲明

CONSTANT coef: coeffs := (); –常量系數(shù)聲明并賦初值

4.端口數(shù)組

在定義電路的輸入/輸出端口時(shí)，有時(shí)需把端口定義為矢量陣列，而在ENTITY中不允許使用TYPE進(jìn)行類型定義，所以必須在包集(PACKAGE)中根據(jù)端口的具體信號特征建立用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型可以供包括ENTITY在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)使用。

—————————————PACKAGE———————————-

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

——————————————

PACKAGE my_data_types IS

TYPE vector_array IS ARRAY (natural range <>) OF STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); –聲明8位的數(shù)組

END my_data_types;

———————————–Main Code—————————————

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use work.my_data_types.all; –用戶自定義包集

——————————————————————

ENTITY mux IS

PORT (inp: IN vector_array(0 to 3);

END mux;

——————————————————————————-

5.有符號數(shù)和無符號數(shù)

要使用SIGNED和UNSIGNED類型數(shù)據(jù)，必須在代碼開始部分聲明ieee庫中的包集std_logic_arith。它們支持算術(shù)運(yùn)算但不支持邏輯運(yùn)算。

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

……

SIGNAL a: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);

SIGNAL b: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);

SIGNAL x: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);

……

v <= a + b;

w <= a AND b;–非法(不支持邏輯運(yùn)算)

——————————————————————————-

STD_LOGIC_VECTOR類型的數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，只有聲明了std_logic_signed和std_logic_unsigned兩個(gè)包集后才可以像SIGNED和UNSIGNED類型的數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。

6.數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

在ieee庫的std_logic_arith包集中提供了許多數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)：

1. conv_integer(p): 將數(shù)據(jù)類型為INTEGER，UNSIGNED，SIGNED，STD_ULOGIC或STD_LOGIC的操作數(shù)p轉(zhuǎn)換成INTEGER類型。不包含STD_LOGIC_VECTOR。

2． conv_unsigned(p,b)：將數(shù)據(jù)類型為INTEGER，UNSIGNED，SIGNED或STD_ULOGIC的操作數(shù)p轉(zhuǎn)換成位寬為b的UNSIGNED類型數(shù)據(jù)。

3． conv_signed(p,b)：將數(shù)據(jù)類型為INTEGER, UNSIGNED, SIGNED或STD_ULOGIC的操作數(shù)p轉(zhuǎn)換成位寬為b的SIGNED類型的數(shù)據(jù)。

4． conv_std_logic_vector(p, b)：將數(shù)據(jù)類型為INTEGER, UNSIGNED, SIGNED或STD_LOGIC的操作數(shù)p轉(zhuǎn)換成位寬為b的STD_LOGIC_VECTOR類型的數(shù)據(jù)。

二、運(yùn)算操作符和屬性

1.運(yùn)算操作符

l賦值運(yùn)算符

賦值運(yùn)算符用來給信號、變量和常數(shù)賦值。

<=用于對SIGNAL類型賦值；

:=用于對VARIABLE，CONSTANT和GENERIC賦值，也可用于賦初始值；

=>用于對矢量中的某些位賦值，或?qū)δ承┪恢獾钠渌毁x值(常用OTHERS表示)。

例：

SIGNAL x: STD_LOGIC;

VARIABLE y: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);–最左邊的位是MSB

SIGNAL w: STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 7);–最右邊的位是MSB

x <= ‘1’;

y := “0000”;

w <= “1000_0000”;– LSB位為1，其余位為0

w

l邏輯運(yùn)算符

操作數(shù)必須是BIT, STD_LOGIC或STD_ULOGIC類型的數(shù)據(jù)或者是這些數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展，即BIT_VECTOR, STD_LOGIC_VECTOR,STD_ULOGIC_VECTOR。

VHDL的邏輯運(yùn)算符有以下幾種：（優(yōu)先級遞減）

?NOT —— 取反

?AND —— 與

?OR —— 或

?NAND —— 與非

?NOR —— 或非

?XOR —— 異或

l算術(shù)運(yùn)算符

操作數(shù)可以是INTEGER, SIGNED, UNSIGNED, 如果聲明了std_logic_signed或std_logic_unsigned，可對STD_LOGIC_VECTOR類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算。

+ —— 加

-—— 減

* —— 乘

/ —— 除

** —— 指數(shù)運(yùn)算

MOD —— 取模

REM —— 取余

ABS —— 取絕對值

加，減，乘是可以綜合成邏輯電路的；除法運(yùn)算只在除數(shù)為2的n次冪時(shí)才能綜合，此時(shí)相當(dāng)于對被除數(shù)右移n位；對于指數(shù)運(yùn)算，只有當(dāng)?shù)讛?shù)和指數(shù)都是靜態(tài)數(shù)值(常量或GENERIC參數(shù))時(shí)才是可綜合的；對于MOD運(yùn)算，結(jié)果的符號同第二個(gè)參數(shù)的符號相同，對于REM運(yùn)算，結(jié)果的符號同第一個(gè)參數(shù)符號相同。

l關(guān)系運(yùn)算符

=, /=,

左右兩邊操作數(shù)的類型必須相同。

l移位操作符

其中左操作數(shù)必須是BIT_VECTOR類型的，右操作數(shù)必須是INTEGER類型的(可以為正數(shù)或負(fù)數(shù))。

VHDL中移位操作符有以下幾種：

usll邏輯左移– 數(shù)據(jù)左移，右端補(bǔ)0；

usrl邏輯右移– 數(shù)據(jù)右移，左端補(bǔ)0；

usla算術(shù)左移– 數(shù)據(jù)左移，同時(shí)復(fù)制最右端的位，填充在右端空出的位置；

usra算術(shù)右移– 數(shù)據(jù)右移，同時(shí)復(fù)制最左端的位，填充在左端空出的位置；

urol循環(huán)邏輯左移 — 數(shù)據(jù)左移，從左端移出的位填充到右端空出的位置上；

uror循環(huán)邏輯右移 – 數(shù)據(jù)右移，從右端移出的位填充到左端空出的位置上。

例：x <= “01001”，那么：

y <= x sll 2;–邏輯左移2位，y<=”00100”

y <= x sla 2;–算術(shù)左移2位，y<=”00111”

y <= x srl 3;–邏輯右移3位，y<=”00001”

y <= x sra 3;–算術(shù)右移3位，y<=”00001”