VHDL语言的基本单元（实体和结构体）

心已赠人 2024-03-25 10:14 47阅读 0赞

VHDL语言设计的基本单元就是VHDL语言的一个基本设计实体（Entity）。

一个实体，简单的可以是一个与门，复杂点的可以是一个微处理器或一个系统。但是，不管是简单的数字电路，还是复杂的数字电路，其基本构成是一致的，都由实体说明（Entity Declaration）和构造体（Architecture Body）两部分构成。

**实体说明部分规定了设计单元的输入输出接口信号或引脚，而构造体部分定义了设计单元的具体构造和行为。**

例1示出了二选一电路的VHDL描述。由例1可以看出，实体说明是二选一器件外部引脚的定义；而构造体则描述了二选一器件的逻辑电路和逻辑关系。

【例1】 二选一电路的VHDL描述

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD\_LOGIC\_1164.ALL；

*-- ENTITY DECLARATION*

ENTITY mux IS

PORT (d0，d1，sel：IN STD\_LOGIC；

q：OUT STD\_LOGIC)；

END mux；

*-- ARCHITECTURE BODY*

ARCHITECTURE connect OF mux IS

SIGNAL tmp：STD\_LOGIC；

BEGIN

PROCESS(d0，d1，sel)

BEGIN

tmp <= (d0 AND sel) OR (d1 AND (NOT sel))；

q <= tmp；

END PROCESS；

END connect；

下面以本段程序为例，说明一下实体和构造体的书写规定。

## **一、实体** ##

任何一个基本设计单元的实体说明都具有如下的结构：

ENTITY 实体名 IS

【类属参数说明】；

【端口说明】；

END 实体名；

一个基本设计单元的实体说明以“ENTITY 实体名 IS”开始至“END 实体名”结束。

例如在上面例子中从“ENTITY mux IS”开始至“END mux”结束。

*  这里大写字母表示实体说明的框架，即每个实体说明都应这样书写，是**不可缺少和省略**的部分。

*  小写字母是设计部分，随设计单元不同而不同。

实际上，VHDL不区分大小写，这里仅仅是为了阅读方便而加以区分的。

### 1．类属参数说明 ###

**类属参数说明必须放在端口说明之前，用于指定参数**，例1中没体现类属说明语句，具体书写范例如下：

GENERIC ( m: TIME: = 1 ns)

该语句指定了m的值为1。

### 2．端口说明 ###

**端口说明是对基本设计实体与外部接口的描述**，也可以说是对外部引脚信号的名称、数据类型和输入、输出方向的描述。其书写格式如下：

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 ####

**端口名是赋予每个外部引脚的名称**，通常用一个或几个英文字母，或者用英文字母加数字命名之。例如例1中的外部引脚为d0，d1，sel，q。

#### （2）端口方向 ####

**端口方向用来定义外部引脚的信号方向是输入还是输出**。例如，例1中的d0，d1，sel为输入引脚，故用方向说明符“IN”说明之，而q则为输出引脚，用方向说明符“OUT”说明之。

*  凡是用“IN”进行方向说明的端口，其信号自端口输入到构造体，而构造体内部的信号不能从该端口输出。

*  相反，凡是用“OUT”进行方向说明的端口，其信号将从构造体内经端口输出，而不能通过该端口向构造体内输入信号。

*  另外，“INOUT”用以说明该端口是双向的，可以输入也可以输出

*  “BUFFER”用以说明该端口可以输出信号，且在构造体内部也可以利用该输出信号。

表示方向的说明符及其含义如表2.1所示。

![111e0c986d064003b7a75f9d6962ec39.png][]

表2.1 端口方向说明

注：OUT允许对应多个信号，BUFFER只允许对应一个

表2.1中“OUT”和“BUFFER”都可以定义为输出端口，但是它们之间是有差别的，如图1所示。

![5fc64a79b9f04ed08a469673b026206c.png][]

（a） （b） 图2 .1 OUT和BUFFER的区别

在图2.1（a）中，锁存器的输出端口被说明为“OUT”，而在（b）中，锁存器的输出被说明为“BUFFER”。从图中可以看到，如果构造体内部要使用该信号，那么锁存器的输出端必须说明为“BUFFER”，而不能用“OUT”说明。

图2.1（b）说明了，当一个构造体用“BUFFER”说明输出端口时，与其连接的另一个构造体的端口也要用“BUFFER”说明。对于“OUT”则没有这样的要求。

如下两例说明了端口方向的使用方法。

【例2】并行口通信芯片8255，其端口定义为：

ENTITY i8255 IS

PORT（

reset，cs：IN STD\_LOGIC；

rd，wr：IN STD\_LOGIC；

a1，a0：IN STD\_LOGIC；

pa，pb：INOUT STD\_LOGIC\_VECTOR（7 DOWNTO 0）；

pcl，pch：INOUT STD\_LOGIC\_VECTOR（3 DOWNTO 0）；

d：INOUT STD\_LOGIC\_VECTOR（7 DOWNTO 0））；

END i8255；

根据电路定义，所有的控制信号和地址信号都是输入模式IN，而其3个端口以及与总线相连的数据端口都是双向的，因此定义为双向模式INOUT。

【例3】定时/计数器芯片8253，其端口定义为：

ENTITY i8253 IS

PORT（

rd，wr，cs，a1，a0：IN STD\_LOGIC；

clk0，clk1，clk2：IN STD\_LOGIC；

gate0，gate1，gate2：IN STD\_LOGIC；

out0，out1，out2：BUFFER STD\_LOGIC；

d：INOUT STD\_LOGIC\_VECTOR（7 DOWNTO 0））；

END i8253；

与8255一样，8253的控制与地址信号是输入模式，而连接总线的数据端口是双向模式。由于计数器的输出out要被用来决定下一个状态，而这个输出又不能连接别的输出或双向瑞口，因此将其定义成缓冲端口。

#### （3）数据类型 ####

在VHDL语言中有10种数据类型，**但是在逻辑电路设计中只用到两种：STD\_LOGIC和STD\_LOGIC\_VECTOR。**

*  当端口被说明为STD\_LOGIC数据类型时，该端口的信号取值只可能是“1”或“0”。这里的“1”和“0”是指逻辑值，也就是说STD\_LOGIC数据类型是**位逻辑数据类型**，其取值只能是两个逻辑值（“1”和“0”）中的一个。

*  当端口被说明为STD\_LOGIC\_VECTOR数据类型时，该端口的取值可能是**一组二进制位的值**。例如，某一数据总线输出端口，具有8位的总线宽度。那么这样的总线端口的数据类型可以被说明成STD\_LOGIC\_VECTOR。总线端口上的值由8位二进制位的值所确定。较完整的端口说明下例所示。

【例4】

PORT（d0，d1，sel：IN STD\_LOGIC；

q：OUT STD\_LOGIC；

bus：OUT STD\_LOGIC\_VECTOR（7 DOWNTO 0）；

该例中d0，d1，sel，q都是STD\_LOGIC数据类型，而bus是STD\_LOGIC\_VECTOR类型，

（7 DOWNTO 0）表示该bus端口是一个8位端口，由B7－B0 8位构成。位矢量长度为8位。

## **二、 构造体** ##

构造体是一个基本设计单元，它具体地指**明了该基本设计单元的行为、元件及内部的连接关系**，也就是说它定义了设计单元具体的功能。

构造体对其基本设计单元的逻辑关系可以用3种方式进行描述，即**行为描述**（基本设计单元的数学模型描述）、**寄存器传输描述**（数据流描述）和**结构描述**（逻辑元件连接描述）。不同的描述方式，只体现在描述语句上，而构造体的结构是完全一样的。由于构造体是对实体功能的具体描述，因此它一定要跟在实体的后面。**通常，先编译实体之后才能对构造体进行编译。如果实体需要重新编译，那么相应构造体也应重新进行编译**。

一个构造体的具体结构描述如下：

ARCHITECTURE 构造体名 OF 实体名 IS

\[定义语句\] 内部信号，常数，数据类型，函数等的定义；

BEGIN

\[并行处理语句\]；

END 构造体名；

一个构造体从“ARCHITECTURE 构造体名 OF 实体名 IS”开始，至“END 构造体名”结束。下面对构造体的有关内容和书写方法作一说明。

### 1．构造体名称的命名 ###

构造体的名称是对本构造体的命名，它是该构造体的唯一名称。OF后面紧跟的实体名表明了该构造体所对应的是哪一个实体，用IS来结束构造体的命名。

### 2．定义语句 ###

定义语句位于ARCHITECTURE和BEGIN之间，用于对构造体内部所使用的信号、常数、数据类型和函数进行定义。例如：

ARCHITECTURE behav OF mux IS

SIGNAL nesl：STD\_LOGIC；

┇

BEGIN

┇

END behav；

**信号定义和端口说明的语句一样，应有信号名和数据类型的说明。**因它是内部连接用的信号，故没有也不需有方向的说明。

### 3．并行处理语句 ###

并行处理语句处于语句BEGIN和END之间，这些语句具体地描述了**构造体的行为及其连接关系**。在构造体中的语句都是可以并行执行的，也就是说，**语句的执行不以书写的语句顺序为执行顺序**。

##  ##

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