VHDL程序设计及应用

VHDL程序设计及应用浙江科技学院信息学院杨翊VHDL的基本语句1.顺序语句⑴IF语句IF条件1THEN顺序语句1；ELSEIF条件2THEN顺序语句2；……ELSEIF条件nTHEN顺序语句n；ELSE顺序语句n+1；ENDIF；两种简化形式：IF条件THEN顺序语句1；ELSE顺序语句2；ENDIF；IF条件THEN顺序语句；ENDIF在VHDL语言中，IF语句的作用是根据指定的条件来确定语句的执行顺序。IF语句可用于选择器、比较器、编码器、译码器、状态机等的设计，是VHDL语言中最常用的语句之一。IF条件THEN顺序语句ENDIF；当程序执行到这种门闩控制型IF语句时，首先判断语句中所指定的条件是否成立。如果条件成立，则程序继续执行IF语句中所含的顺序处理语句；如果条件不成立，程序将跳过IF语句所包含的顺序处理语句，而向下执行IF的后继语句。门闩控制语句LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYdffISPORT（clk，d：INSTD_LOGIC；q：OUTSTD_LOGIC);ENDdff；ARCHITECTURErtlOFdffISBEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk’EVENTANDclk=’1’)THENq=d;ENDIF;ENDPROCESS;ENDrtl;例:利用IF语句引入D触发器二选一控制语句IF条件THEN顺序语句ELSE顺序语句ENDIF；当IF条件成立时，程序执行THEN和ELSE之间的顺序语句部分；当IF语句的条件得不到满足时，程序执行ELSE和ENDIF之间的顺序处理语句。即依据IF所指定的条件是否满足，程序可以进行两条不同的执行路径。例:二选一电路结构体的描述MUX2cabsARCHITECTURErtlOFmux2ISBEGINPROCESS(a，b，s)BEGINIF(s=’1’)THENc=a;ELSEc=b;ENDIF;ENDPROCESS;ENDrtl;多选择控制语句IF条件THEN顺序语句ELSEIF顺序语句ELSEIF顺序语句┇ELSE顺序语句ENDIF；这种多选择控制的IF语句，实际上就是条件嵌套。它设置了多个条件，当满足所设置的多个条件之一时，就执行该条件后的顺序处理语句。当所有设置的条件都不满足时，程序执行ELSE和ENDIF之间的顺序处理语句。例:利用多选控制语句设计的四选一多路选择器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYmux4ISPORT（input：INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0)；sel：INSTD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0)；y：OUTSTD_LOGIC);ENDmux4；mux4ysel3210inputARCHITECTURErtlOFmux4ISBEGINPROCESS(input，sel)BEGINIF(sel=“00”)THENy=input（0）；ELSIF（sel=“01”）THENy=input（1）；ELSIF（sel=“10”）THENy=input（2）；ELSEy=input（3）；ENDIF;ENDPROCESS;ENDrtl;⑵CASE语句CASE语句根据满足的条件直接选择多项顺序语句中的一项执行，它常用来描述总线行为、编码器、译码器等的结构。CASE语句的结构为：CASE表达式ISWHEN条件选择值=顺序语句，┇WHEN条件选择值=顺序语句，ENDCASE；其中WHEN条件选择值可以有四种表达方式；（1）单个普通数值，形如WHEN选择值=顺序语句；（2）并列数值，形如WHEN值/值/值=顺序语句；（3）数值选择范围，形如WHEN值TO值=顺序语句；（4）WHENOTHERS=顺序语句；当执行到CASE语句时，首先计算CASE和IS之间的表达式的值，然后根据条件语句中与之相同的选择值，执行对应的顺序语句，最后结束CASE语句。使用CASE语句需注意以下几点：·CASE语句中每一条语句的选择值只能出现一次，即不能有相同选择值的条件语句出现。·CASE语句执行中必须选中，且只能选中所列条件语句中的一条，即CASE语句至少包含一个条件语句。·除非所有条件语句中的选择值能完全覆盖CASE语句中表达式的取值，否则最末一个条件语句中的选择必须用“OTHERS”表示，它代表已给出的所有条件语句中未能列出的其他可能的取值。关键词OTHERS只能出现一次，且只能作为最后一种条件取值。使用OTHERS是为了使条件语句中的所有选择值能覆盖表达式的所有取值，以免综合过程中插入不必要的锁存器。这一点对于定义为STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR数据类型的值尤为重要，因为这些数据对象的取值除了1、0之外，还可能出现输入高阻态Z，不定态X等取值。例[1]CASE语句使用CASEcommandISWHEN“00”=c=a;WHEN“01”=c=b;WHEN“10”=c=e;WHEN“11”=c=f;WHENOTHERS=NULL;--无效ENDCASE;例[2]CASE语句使用CASEselISWHEN1TO9=c=1;WHEN11/12=c=2;WHENOTHERS=c=3;ENDCASE;在例[2]中，第一个WHEN语句的意思是当sel的值是从1到9中任意一个数值时，信号c的值取1；第二个WHEN语句的意思是当sel的值为11或12两者之一时，信号c的取值为2；第三个WHEN语句的意思是当sel的值不为前面两种情况时，信号c的取值为3。--适合4选1数据选择器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYdecoder3_8ISPORT（a，b，c，g1，g2a，g2b：INSTD_LOGIC；y：OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0)；ENDdecoder3_8；ARCHITECTURErtlOFdecoder3_8ISSIGNALindata：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0)；BEGINindata=c&b&a；PROCESS（indata，g1，g2a，g2b）BEGIN例[3]3-8译码器IF（g1=‘1’ANDg2a=‘0’ANDg2b=‘0’）THENCASEISWHEN“indata000”=y=“11111110”；WHEN“001”=y=“11111101”；WHEN“010”=y=“11111011”；WHEN“011”=y=“11110111”；WHEN“100”=y=“11101111”；WHEN“101”=y=“11011111”；WHEN“110”=y=“10111111”；WHEN“111”=y=“01111111”；WHENOTHERS=y=“XXXXXXXX”；ENDCASE；ELSE--指不满足g1=‘1’ANDg2a=‘0’ANDg2b=‘0’情况y=“11111111”；ENDIF；ENDPROCESS；ENDrtl；与IF语句相比，CASE语句组的程序语句是没有先后顺序的，所有表达式的值都并行处理。IF语句是有序的，先处理最起始、最优先的条件，后处理次优先的条件。⑶LOOP语句LOOP语句就是循环语句，它可以使包含的一组顺序语句被循环执行，其执行的次数受迭代算法控制。在VHDL中常用来描述迭代电路的行为。1.单个LOOP语句单个LOOP语句的书写格式如下：[标号:]LOOP顺序语句ENDLOOP[标号]；这种循环语句需引入其他控制语句（如EXIT）后才能确定，否则为无限循环。其中的标号是可选的。例如：loop1：LOOPWAITUNTILclk=‘1’；q=dAFTER2ns；ENDLOOPloop1；2.FOR_LOOP语句该语句语法格式为：[标号：]FOR循环变量IN离散范围LOOP顺序处理语句ENDLOOP[标号]；例：8位奇偶校验电路LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYparity_checkISPORT（a：INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0)；y：OUTSTD_LOGIC)；ENDparity_check；ARCHITECTURErtlOFparity_checkISBEGINPROCESS（a）VARIABLEtmp：STD_LOGICBEGINtmp：=‘0’；FORiIN0TO7LOOPtmp：=tmpXORa（i）；ENDLOOP；y=tmp；--y=1，a为奇数个‘1’。y=0，a为偶数个‘1’。ENDPROCESS；ENDrtl；3.WHILE_LOOP语句这种语句的书写格式为：[标号：]WHILE条件LOOP顺序处理语句ENDLOOP[标号]；在该LOOP语句中，没有给出循环次数的范围，而是给出了循环执行顺序语句的条件；没有自动递增循环变量的功能，而是在顺序处理语句中增加了一条循环次数计算语句，用于循环语句的控制。循环控制条件为布尔表达式，当条件为“真”时，则进行循环，如果条件为“假”，则结束循环。例：8位奇偶校验电路的WHILE_LOOP设计形式LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYparity_checkISPORT（a：INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0)；y：OUTSTD_LOGIC)；ENDparity_check；ARCHITECTUREbehavOFparity_checkISBEGINPROCESS（a）VARIABLEtmp：STD_LOGICBEGINtmp:=‘0’；i:=0；WHILE（i8）LOOPtmp:=tmpXORa（i）；i:=i+1；ENDLOOP；y=tmp；ENDPROCESS；ENDbehav；⑷NEXT语句NEXT语句的书写格式为：NEXT[标号][WHEN条件]该语句主要用于LOOP语句内部的循环控制。当NEXT语句后不跟[标号]，NEXT语句作用于当前最内层循环，即从LOOP语句的起始位置进入下一个循环。若NEXT语句不跟[WHEN条件]，NEXT语句立即无条件跳出循环。例:NEXT语句应用举例┇WHILEdata1LOOPdata:=data+1；NEXTWHENdata=3--条件成立而无标号，跳出循环data:=data*data；ENDLOOP；N1：FORiIN10DOWNTO1LOOPN2：FORjIN0TOiLOOPNEXTN1WHENi=j；--条件成立，跳到N1处matrix（i，j）:=j*i+1；--条件不成立，继续内层循环N2ENDLOOPN2；ENDLOOPN1；⑸EXIT语句EXIT语句的书写格式为：EXIT[LOOP标号][WHEN条件]；EXIT语句也是用来控制LOOP的内部循环，与NEXT语句不同的是EXIT语句跳向LOOP终点，结束LOOP语句；而NEXT语句是跳向LOOP语句的起始点，结束本次循环，开始下一次循环。当EXIT语句中含有标号时，表明跳到标号处继续执行。含[WHEN条件]时，如果条件为“真”，跳出LOOP语句；如果条件为“假”，则继续执行LOOP循环。EXIT语句不含标号和条件时，表明无条件结束LOOP语句的执行，因此，它为程序需要处理保护、出错和警告状态，提供了一种快捷、简便的调试方法。例：两个元素位矢量a、b进行比较，当发现a与b不同时，跳出循环比较程序并报告比较结果。SIGNALa，b：STD_LOGIC_VECTOR(0TO1)；SIGNALa_less_than_b：BOOLEAN；┇a_less_than_b=FALSE;FORiIN1TO0LOOPIF（a（i）=‘1’ANDb（i）=‘0’）THENa_less_than_b=FALSE；EXIT；ELSE