VHDL概述及在描述数字电路时的结构

　　本文介绍了一种硬件描述语言VHDL，以及它在描述数字电路时的结构。我们还将介绍一些介绍性的示例电路描述，并讨论“std_logical”和“bit”数据类型之间的区别。

　　VHDL是数字电路设计中常用的硬件描述语言之一。VHDL代表VHSIC硬件描述语言。反过来，VHSIC代表超高速集成电路。

　　VHDL是1981年由美国国防部发起的。IBM和德州仪器等公司的合作导致VHDL于1985年发布了第一个版本。1984年，Xilinx发明了第一个FPGA，很快就在其产品中支持VHDL。从那时起，VHDL语言在数字电路设计、仿真和综合方面已经发展成为一种成熟的语言。

　　在本文中，我们将简要讨论描述给定电路的VHDL代码的一般结构。通过一些介绍性示例，我们还将熟悉一些常用的数据类型、操作符等。

　　

　　VHDL的一般结构

　　让我们考虑一个简单的数字电路，如图1所示。

　　图1.一个简单的数字电路。

　　此图显示有两个输入端口，a和b，以及输出端口out 1。图中显示输入和输出端口有一点宽。电路的功能是要和两个输入端，并将结果放在输出端口上。

　　VHDL使用类似的描述；但是，它有自己的语法。例如，它使用以下代码行来描述该电路的输入和输出端口：

　　1 entity circuit_1 is 2 Port （ a ： in STD_LOGIC; 3 b ： in STD_LOGIC; 4

　　out1 ： out STD_LOGIC）; 5 end circuit_1;

　　让我们分清这意味着什么，一行行。

　　第1行：代码的第一行指定要描述的电路的任意名称。在关键字“实体”和“is”之间的“电路1”一词决定了该模块的名称。

　　第2至第4行：这些线路指定电路的输入和输出端口。将这些线路与图1中的电路进行比较，我们发现该电路的端口及其特性列在关键字“port”之后。例如，第3行说我们有一个名为“b”的端口。此端口是一个输入，如冒号后面的关键字“in”所示。

　　关键字“std_Logic”指定了什么？正如我们将在本文后面讨论的那样，std_Logic是VHDL中一种常用的数据类型。它可以用来描述一位数字信号。由于图1中的所有输入/输出端口都将传输1或0，因此我们可以对这些端口使用std_logicdata类型。

　　第5行：这一行决定了“实体”语句的结尾。

　　因此，代码的实体部分指定了1）要描述的电路的名称，2）电路的端口及其特性，即输入/输出和这些端口要传输的数据类型。代码的实体部分实际上描述了模块与其周围环境的接口。由讨论的“实体”语句指定的上述电路的特性如图1所示绿色。

　　除了电路与环境的接口外，我们还需要描述电路的功能。在图1中，电路的功能是to和两个输入，并将结果放在输出端口上。为了描述电路的操作，VHDL增加了一个“体系结构”部分，并将其与实体语句定义的电路1相关联。描述该电路结构的vhdl代码如下

　　6 architecture Behavioral of circuit_1 is 8 begin 9 out1

　　第6行：这一行为下一行将要描述的体系结构命名为“行为”。这个名称介于关键字“Architecture”和“of”之间。它还将该体系结构与“电路1”相关联。换句话说，这种架构将描述“电路1”的操作。

　　第8行：这指定了体系结构描述的开始。

　　第9行第9行使用VHDL的语法来描述电路的操作。两个输入a和b的AND在括号内找到，并使用赋值运算符“《=”将结果分配给输出端口。

　　第10行这指定了体系结构描述的结束。如前所述，这些代码行描述了电路的内部操作，这里是一个简单的门（如图1中蓝色所示）。

　　把我们到目前为止讨论的内容放在一起，我们几乎完成了用VHDL描述“电路1”的工作。我们获得以下代码：

　　1 entity circuit_1 is 2 Port （ a ： in STD_LOGIC; 3 b ： in STD_LOGIC; 4

　　out1 ： out STD_LOGIC）; 5 end circuit_1; -

　　6 architecture Behavioral of circuit_1 is 8 begin 9 out1

　　但是，我们仍然需要增加几行代码。这些行将添加一个包含一些重要定义的库，包括数据类型和运算符的定义。库可以由几个包组成（参见下面的图2）。我们将不得不使一个给定库的所需包对设计可见。

　　由于上面的示例使用数据类型“std_logal”，所以我们需要将“ieee”库中的包“std_logic1164”添加到代码中。注意，std_logicdata类型的逻辑运算符也在“std_logic1164”包中定义，否则我们必须使相应的包对代码可见。最后的代码是

　　1 library ieee; 2 use ieee.std_logic_1164.all 3 entity circuit_1 is 4 Port （ a ： in STD_LOGIC; 5

　　b ： in STD_LOGIC; 6 out1 ： out STD_LOGIC）; 7 end circuit_1; 8 architecture Behavioral of circuit_1 is 9 begin 10 out1

　　在这里，我们创建了两条新的行来超越我们所创造的。第一行添加库“IEEE”，第二行指定此库中的包“std_logic1164”是必需的。因为“std_Logic”是一种常用的数据类型，所以我们几乎总是需要将“IEEE”库和“std_logic1164”包添加到VHDL代码中。

　　。 。 。 。 。 。 。 。 。

　　发明内容

　　在本文中，我们讨论了VHDL是什么，它是如何构造的，并介绍了如何使用它来描述数字电路的一些例子。您现在应该更好地理解以下几点：

　　代码的“实体”部分指定1）要描述的电路的名称和2）电路的端口；它建立模块与其周围环境之间的接口。

　　代码的“体系结构”部分描述了电路的内部操作。

　　VHDL库包含重要的定义，包括数据类型和操作符的定义。库本身可以由几个包组成。

　　我们几乎总是需要将“IEEE”库和“std_logic1164”包添加到我们的VHDL代码中。

　　在“std_Logic”数据类型的可能值中，我们通常使用‘0’、‘1’、‘Z’和‘-’。