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VHDL语言描述语句,VHDL语言描述语句,一、VHDL语句分类；二、基本的VHDL顺序语句三、基本的VHDL并行语句四、常用组合单元电路VHDL设计五、常用时序单元电路VHDL设计,一、VHDL语句分类,按照功能分类：赋值语句；数据流控制语句（转向控制语句）：Case when(顺序)；If else(顺序)；with select when(并)；When else(并)；模块化设计语句:process;component;generate;block;forloop;子程序调用语句仿真语句：wait;按照语句的执行方式特点分为：并行语句：按动作特点：语句执行顺序与书写顺序无关；使用范围：进程语句外部的语句都是并行的；实际应用：对应于各自独立运行的逻辑电路；顺序语句：按动作特点：照语句书写顺序执行；使用范围：进程、函数和过程内部出现；实际应用：时序电路、数据流控制电路；,VHDL顺序语句,黑龙江大学电子工程学院/EDA教研室,基本的VHDL顺序语句,VHDL中的顺序语句用于描述进程或子程序的内部功能，且只能出现在PROCESS、FUNCTION、PROCEDURE等语句中。可以用来设计 时序电路、组合电路。主要作用：时序流控制、程序控制、条件和迭代等，行为描述代码。常用的顺序语句见下表。,1、process(进程)；2、信号和变量；3、IF语句；4、C ASE语句；5、CASE语句和IF语句的比较；6、LOOP语句；7、WAIT语句；8、使用顺序代码设计组合逻辑电路；,基本的VHDL顺序语句,5.3.1 进程（PROCESS）语句语法说明：1、Process为过程语句，定义如下：进程标号:Process 触发信号1，触发信号2，定义区 Begin顺序语句End Process 进程标号；注：方括号内容可以省略；触发信号将决定该过程是否执行；一个结构体当中可以有多个过程；多个进程语句之间是并行执行，进程内部属于顺序执行语句。,2.进程语句语法说明,进程标号：用于标识进程，可选。多个进程时，提高程序可读性；敏感信号列表：敏感信号发生变化（上升沿或者下降沿），进程被 激活，从而执行内部顺序语句。注意：可以有多个敏感信号，用逗号隔开，任何一个变化都激活进 程，否则进程挂起。进程声明区：用于定义进程内部的局部变量，信号不可在此声明。进程之间数据 交流通过全局信号。顺序语句：进程内部语句顺序执行。用处：适合描述时序电路。也可用于组合逻辑电路的设计。,例1：进程语句例程带异步复位的D触发器,LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY cydff ISPORT(d,clk,rst:IN STD_LOGIC;q:OUT STD_LOGIC);END ENTITY cydff;ARCHITECTURE behave OF cydff ISBEGINcydff_inst:PROCESS(clk，rst)BEGIN IF(rst=1)then q=0;elsIF(clk=1 AND clkLAST_VALUE=0 AND clkEVENT)THEN q=d;END IF;END PROCESS cydff_inst;END ARCHITECTURE behave;,语法说明：时钟沿的VHDL描述方法总结（3种）：clkevent and clk=1;clkevent and clk=0;clk=1 AND clkEVENT AND clkLAST_VALUE=0 clk=0 AND clkEVENT AND clkLAST_VALUE=1 rising_edge(clk);falling_edge(clk);Clkevent?,上升沿描述1：,下降沿描述1：,上升沿描述2：,下降沿描述2：,上升沿描述3：,下降沿描述3：,进程语句总结：,进程仅在敏感信号发生变化时才执行。特点：进程内部，顺序语句；进程语句之间，并行。不同进程内不可以对同一信号赋值，即不可多重赋值。进程内信号和变量赋值效果不同。一个进程内不能同时扑捉同一个时钟信号的上升沿或者下降沿。例如下面语句是错误的：PROCESS(clk)BEGINIF rising_edge(clk)then elsif falling_edge(clk)then end if;end peocess;,entity mul isport(a,b,c,selx,sely:IN bit;data_out:OUT BIT);end mul;ARCHITECTURE ex OF mul IS SIGNAL temp:BIT;BEGIN p_a:PROCESS(a，b，selx)BEGIN IF(SELX=0)THEN temp=a;ELSE temp=b;END IF;END PROCESS p_a;p_b:PROCESS(temp，c，sely)BEGIN IF(SELy=0)THEN data_out=temp;ELSE temp=c;END IF;END PROCESS p_b;end ex;,1、信号和变量异同：（1）、声明范围：。信号：ENTITY，ARCHITECTURE，PACKAGE（ALL）变量：顺序语句中（PROCESS、子程序）（2）、作用：动态数值传递，存储运算中间结 果（变量）。（3）、使用范围：全局（sig），局部（var）。（4）、变量结果只能由信号传递到外部。（5）、动作特点：变量：立即更新。信号：process执行完毕才生效。（允许多驱动源，仅最后 一个有效）（6）、操作符：信号：=变量：:=,2、信号和变量,例2：ARCHITECTURE behavioral OF example_duibi ISSIGNAL d0,d1,d2,d3:STD_LOGIC;-定义信号 SIGNAL q0,q1:STD_LOGIC;BEGINli_1：PROCESS(d0,d1,d2,d3)BEGIN d2=d0;-信号量代入 q0=d2 OR d3;d2=d1;-信号量代入 q1=d2 OR d3;END PROCESS cduibi_1;li_2：PROCESS(d0,d1,d3)VARIABLE m2:STD_LOGIC;BEGIN m2:=d0;-变量赋值 q0=m2 OR d3;m2:=d1;-变量赋值 q1=m2 OR d3;END PROCESS cduibi_2;END behavioral;,进程li_1的运行结果：q0=d1 OR d3 并且 q1=d1 OR d3进程li_2的运行结果：q0=d0 OR d3 而 q1=d1 OR d3,语法说明：进程当中的赋值：变量：立即更新。信号：process执行完毕赋值才生效。同时，进程中的信号赋值语句允许有多个不同的赋值驱动源，但仅最后 一个驱动源有效,3、IF语句,IF语句 IF语句是根据所指定的条件来确定执行哪些语句，适用于比较器、译码器等需要条件控制的逻辑电路设计，通常有以下三种类型。(1)用作门阀控制时的IF语句书写格式为 IF（条件）THEN 顺序处理语句；END IF；例程：PROCESS(clk)BEGIN IF clkevent and clk=1 THEN q=d;qb=NOT d;END IF;END PROCESS;,(2)用作选择控制时的IF语句书写格式为 IF（条件）THEN 顺序处理语句1；ELSE 顺序处理语句2；END IF；,PROCESS(a,b,en)BEGIN IF(en=1)THEN c=a;ELSE c=b;END IF;END PROCESS;,(3)用作多选择控制时的IF语句书写格式为 IF 条件1 THEN 顺序处理语句1；ELSIF 条件2 THEN 顺序处理语句2；ELSIF 条件N-1 THEN 顺序处理语句N-1；ELSE 顺序处理语句N；END IF；,LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY mux4 IS PORT(input:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);en:IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);y:OUT STD_LOGIC);END mux4;ARCHITECTURE aa OF mux4 ISBEGIN PROCESS(input,en)BEGIN IF(en=00)THEN y=input(0);ELSIF(en=01)THEN y=input(1);ELSIF(en=10)THEN y=input(2);ELSE y=input(3);END IF;END PROCESS;END aa;,例2（例5-9）四选一数据选择器,IF语句应用例2,8-3优先编码器（74HC148）,课堂练习1,模10计数器；N位移位寄存器（右移）；作业1：（1）、N位移位寄存器（左移）；（2）、通用模n计数器；,IF 语句使用总结,If语句必须要有else，尤其组合逻辑嵌套计数不能太多，否则关键路径会很长，会严重影响性能；分支较多的if应想办法采用case代替；If条件判断不能太长，若逻辑比较复杂，尽量用新产生信号代替；注意if的优先级；,尽量不使用、=比较符。,4、CASE语句CASE语句的一般格式为:CASE 表达式 IS WHEN 值1=多条赋值语句；WHEN 值2=语句2；WHEN OTHERS=语句3（null、unaffected）；END CASE；当需要对多个条件进行判断时：（1）、WHEN 值=语句；-单个值（2）、WHEN 值|值|值|值=语句；-多个值的“或”（3）、WHEN 值 TO 值=语句；-取值范围，枚举,例5-10 用CASE语句描述4选1电路。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY mux4 IS PORT(s1,s2,a,b,c,d:IN STD_LOGIC;z:OUT STD_LOGIC);END mux4;ARCHITECTURE a OF mux4 IS SIGNAL s:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGIN SZZZZZ=X;END CASE;END PROCESS;END a;,覆盖全部条件,不能有重复条件,只能在最后出现,（1）、条件表达式：整数、枚举、数组。（2）、=相当于 THEN（3）、分支入口条件必须唯一，且取值在表达式范围内。（4）、分支入口选择（并行），与书写顺序无关。（5）、OTHERS(必须列出条件表达式的所有可能)，NULL。Case语句的条件没有优先级，综合后是一个并行多路选择器。注意：如果if语句太长，应该尽可能用case语句代替。适用于编写组合逻辑电路：译码器，编码器等。,语法说明：,5、语句与语句比较：1、有优先级的电路，用IF语句。2、CASE语句可提高程序可读性，经常用来设计状态机电路。,6、LOOP及相关语句用途：当一段代码需要多次重复执行时。LOOP语句的语法结构有以下两种。顺序语句，使用范围：进程、函数、过程。FOR/LOOP：循环固定次数 label:FOR 循环变量 IN 范围 LOOP 顺序处理语句；END LOOP 循环标号；(2)WHILE/LOOP：循环执行直到某个条件不再满足 label：WHILE（条件）LOOP 顺序处理语句；END LOOP 循环标号；,6、LOOP及相关语句,（3）、NEXT：跳出本次循环 label:NEXT loop_label when 条件表达式；（4）、EXIT：结束整个循环操作 label:EXIT loop_label when 条件表达式；例：FOR I IN 0 TO LOOP temp:=temp XOR cdata(i);END LOOP;FOR I IN 0 TO LOOP不可综合，静态参数。,循环次数必须为确定值或者用属性语句来定义,例：VARIABLE sum_temp:INTEGER:=0;VARIABLE i:INTEGER:=0;BEGINsum_example:WHILE(i 100)LOOP sum_temp:=sum_temp+i;i:=i+1;END LOOP sum_example;END PROCESS;,6.3、NEXT语句 NEXT语句主要用于LOOP语句的内部循环控制，有条件或无条件地跳出本次循环，开始下一次循环。NEXT语句的一般格式为：（1）NEXT（2）NEXT LOOP标号（3）NEXT LOOP标号 WHEN 条件表达式例：CTEST1:FOR m IN 0 TO 50 LOOP-外循环 CTEST2:FOR n IN 1 TO 40 LOOP-内循环 NEXT CTEST1 WHEN m=n;-NEXT语句的执行条件 END LOOP CTEST2;END LOOP CTEST1;,6.4 EXIT语句 退出（EXIT）语句也是LOOP语句中使用的循环控制语句。执行EXIT语句，将结束循环状态，从LOOP语句中跳出，终止LOOP语句的执行。EXIT语句的一般格式为：（1）EXIT（2）EXIT LOOP标号（3）EXIT LOOP标号 WHEN 条件表达式,FOR i IN 0 TO 31 LOOP NEXT WHEN ccontrol=0;-跳到下一次循环；temp:=temp XOR cdata(i);END LOOP;FOR i IN dataRANGE LOOP CASE data(i)IS WHEN 0=count:=count+1;WHEN others=EXIT;-跳出当前循环，使LOOP循环结束。END CASE;END LOOP;,1、利用LOOP/EXIT语句设计一个连0检测器对输入矢量中连续出现的零的个数进行统计（从矢量左端开始统计）,课堂练习2,课堂练习2,2、利用loop语句描述一个n位的逐级进位加法器：,7.WAIT语句,1、作用：替代PROCESS敏感信号列表。2、WAIT语句语法格式：WAIT-无限等待（仿真）WAIT FOR time-时间到（仿真,不可综合）WAIT UNTIL signal_condition-条件满足（可综合）WAIT ON signal1,signal2,;-敏感信号发生变化(可综合),7.1、WAIT 语句说明 作用：仿真复位信号的产生：reset_proc:process begin reset=1;wait for reset_period;reset=0;wait;end process;,7.2、WAIT FOR 语句,作用：常用于描述仿真激励信号，产生时钟信号；例：constant clk_period:time:=10ns clk_process:process begin clk=0;wait for clk_period/2;clk=1;wait for clk_period/2;END PROCESS;或者：Clk_process:process(clk)begin clk=NOT clk AFTER period/2;end process;,7.3 WAIT UNTIL使进程语句进入等待状态，直到UNTIL之后的条件满足后才激活。例：带同步复位端的D出触发器 PROCESS BEGIN WAIT UNTIL(clkevent and clk=1);if(rst=1)then output0);elsif clkevent and clk=1 then output=input;end if;end process;,7.4 WAIT ON WAIT ON 语句使进程进入等待状态，直到ON之后信号状态发生变化才被激活，相当于进程的敏感信号列表。WAIT ON clk,reset;-相当于在进程敏感信号列表中写clk,reset。【注意】:对于进程语句，WAIT ON 和敏感信号列表只能二选一，不可同时存在。.,-敏感信号列表形式PROCESS(clk,reset)Begin 顺序语句End process;,-WAIT ON语句形式PROCESSBegin WAIT ON clk,reset 顺序语句End process;,WAIT ON 语句,例：带异步复位的8位寄存器；PROCESS BEGIN WAIT ON clk,rst;IF rst=1 THEN output0);ELSIF clkevent and clk=1 THEN output=input;end if;end process;,课堂练习-3,用wait on 语句设计带有异步复位的寄存器电路；作业：用wait until 语句设计模10计数器。,补充:空操作（NULL）语句 NULL语句是一种只占位置的空处理操作（空值），执行到该句只是使程序走到下一条语句。NULL语句的一般格式为:NULL；例：ARCHITECTURE dataflow OF cnull ISSIGNAL d,q:STD_LOGIC;SIGNAL sel:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGIN CASE sel IS WHEN 0|7=q NULL;END CASE;END dataflow;,8、使用顺序代码设计组合逻辑电路,使用顺序代码设计组合逻辑电路原则:原则1：确保在PROCESS中用到的所有输入信号都出现在敏感信号列表中。原则2：确保考虑了输入/输出信号的所有可能组合，即真值表必须在代码中完整的反映出来（否则可能产生出多余的锁存器）。例：数据选择器,锁存和寄存的差别,区别：锁存是电平起作用寄存是时钟有效沿起作用！在设计中，应该尽量避免使用锁存！因为锁存要占去大量的触发器资源，而且会对电路带来某种不稳定的隐患。在组合逻辑的组合进程中，条件语句描述时应该指定所有条件下所有输出的状态，以避免锁存。比如if/case语句的所有分支必须定义全部的输出才可能避免出现锁存。,作业：,（1）、N位移位寄存器（左移）；（2）、通用模n计数器；（3）、用wait until 语句设计模10计数器。,谢谢观赏！,Thanks!,