一个VHDL程序代码包含实体（entity）、结构体（architecture）、配置（configuration）、程序包（package）、库（library）等。
一、数据类型
1.用户自定义数据类型
使用关键字TYPE，例如：
TYPE my_integer IS RANGE -32 TO 32;
–用户自定义的整数类型的子集
TYPE student_grade IS RANGE 0 TO 100;
–用户自定义的自然数类型的子集
TYPE state IS (idle, forward, backward, stop);
–枚举数据类型，常用于有限状态机的状态定义
一般来说，枚举类型的数据自动按顺序依次编码。
2.子类型
在原有已定义数据类型上加一些约束条件，可以定义该数据类型的子类型。VHDL不允许不同类型的数据直接进行操作运算，而某个数据类型的子类型则可以和原有类型数据直接进行操作运算。
子类型定义使用SUBTYPE关键字。
3.数组(ARRAY)
ARRAY是将相同数据类型的数据集合在一起形成的一种新的数据类型。
TYPE type_name IS ARRAY (specification) OF data_type;
–定义新的数组类型语法结构
SIGNAL signal_name: type_name [:= initial_value];
–使用新的数组类型对SIGNAL，CONSTANT, VARIABLE进行声明
例如：
TYPE delay_lines IS ARRAY (L-2 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_IN-1 DOWNTO 0);
–滤波器输入延迟链类型定义
TYPE coeffs IS ARRAY (L-1 DOWNTO 0) OF SIGNED (W_COEF-1 DOWNTO 0);
–滤波器系数类型定义
SIGNAL delay_regs: delay_lines;– 信号延迟寄存器声明
CONSTANT coef: coeffs := (); –常量系数声明并赋初值
4.端口数组
在定义电路的输入/输出端口时，有时需把端口定义为矢量阵列，而在ENTITY中不允许使用TYPE进行类型定义，所以必须在包集(PACKAGE)中根据端口的具体信号特征建立用户自定义的数据类型，该数据类型可以供包括ENTITY在内的整个设计使用。
—————————————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); –声明8位的数组
END my_data_types;
———————————–Main Code—————————————
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use work.my_data_types.all; –用户自定义包集
——————————————————————
ENTITY mux IS
PORT (inp: IN vector_array(0 to 3);
END mux;
——————————————————————————-
5.有符号数和无符号数
要使用SIGNED和UNSIGNED类型数据，必须在代码开始部分声明ieee库中的包集std_logic_arith。它们支持算术运算但不支持逻辑运算。
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(不支持逻辑运算)
——————————————————————————-
STD_LOGIC_VECTOR类型的数据不能直接进行算术运算，只有声明了std_logic_signed和std_logic_unsigned两个包集后才可以像SIGNED和UNSIGNED类型的数据一样进行算术运算。
6.数据类型转换
在ieee库的std_logic_arith包集中提供了许多数据类型转换函数：
1. conv_integer(p): 将数据类型为INTEGER，UNSIGNED，SIGNED，STD_ULOGIC或STD_LOGIC的操作数p转换成INTEGER类型。不包含STD_LOGIC_VECTOR。
2． conv_unsigned(p,b)：将数据类型为INTEGER，UNSIGNED，SIGNED或STD_ULOGIC的操作数p转换成位宽为b的UNSIGNED类型数据。
3． conv_signed(p,b)：将数据类型为INTEGER, UNSIGNED, SIGNED或STD_ULOGIC的操作数p转换成位宽为b的SIGNED类型的数据。
4． conv_std_logic_vector(p, b)：将数据类型为INTEGER, UNSIGNED, SIGNED或STD_LOGIC的操作数p转换成位宽为b的STD_LOGIC_VECTOR类型的数据。
二、运算操作符和属性
1.运算操作符
l赋值运算符
赋值运算符用来给信号、变量和常数赋值。
<=用于对SIGNAL类型赋值；
:=用于对VARIABLE，CONSTANT和GENERIC赋值，也可用于赋初始值；
=>用于对矢量中的某些位赋值，或对某些位之外的其他位赋值(常用OTHERS表示)。
例：
SIGNAL x: STD_LOGIC;
VARIABLE y: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);–最左边的位是MSB
SIGNAL w: STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 7);–最右边的位是MSB
x <= ‘1’;
y := “0000”;
w <= “1000_0000”;– LSB位为1，其余位为0
w <= (0 => ‘1’, OTHERS => ‘0’);– LSB位是1， 其他位是0
l逻辑运算符
操作数必须是BIT, STD_LOGIC或STD_ULOGIC类型的数据或者是这些数据类型的扩展，即BIT_VECTOR, STD_LOGIC_VECTOR,STD_ULOGIC_VECTOR。
VHDL的逻辑运算符有以下几种：（优先级递减）
ŸNOT —— 取反
ŸAND —— 与
ŸOR —— 或
ŸNAND —— 与非
ŸNOR —— 或非
ŸXOR —— 异或
l算术运算符
操作数可以是INTEGER, SIGNED, UNSIGNED, 如果声明了std_logic_signed或std_logic_unsigned，可对STD_LOGIC_VECTOR类型的数据进行加法或减法运算。
+ —— 加
-—— 减
* —— 乘
/ —— 除
** —— 指数运算
MOD —— 取模
REM —— 取余
ABS —— 取绝对值
加，减，乘是可以综合成逻辑电路的；除法运算只在除数为2的n次幂时才能综合，此时相当于对被除数右移n位；对于指数运算，只有当底数和指数都是静态数值(常量或GENERIC参数)时才是可综合的；对于MOD运算，结果的符号同第二个参数的符号相同，对于REM运算，结果的符号同第一个参数符号相同。
l关系运算符
=, /=, <, >, <=, >=
左右两边操作数的类型必须相同。
l移位操作符
<左操作数> <移位操作符> <右操作数>
其中左操作数必须是BIT_VECTOR类型的，右操作数必须是INTEGER类型的(可以为正数或负数)。
VHDL中移位操作符有以下几种：
usll逻辑左移– 数据左移，右端补0；
usrl逻辑右移– 数据右移，左端补0；
usla算术左移– 数据左移，同时复制最右端的位，填充在右端空出的位置；
usra算术右移– 数据右移，同时复制最左端的位，填充在左端空出的位置；
urol循环逻辑左移 — 数据左移，从左端移出的位填充到右端空出的位置上；
uror循环逻辑右移 – 数据右移，从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;–逻辑左移2位，y<=”00100”
y <= x sla 2;–算术左移2位，y<=”00111”
y <= x srl 3;–逻辑右移3位，y<=”00001”
y <= x sra 3;–算术右移3位，y<=”00001”
y <= x rol 2;–循环左移2位，y<=”00101”
y <= x srl -2;–相当于逻辑左移2位
l并置运算符
用于位的拼接，操作数可以是支持逻辑运算的任何数据类型。有以下两种：
²&
²(, , , )
与Verilog中{}的功能一样。
2.属性(ATTRIBUTE)
l数值类属性
数值类属性用来得到数组、块或一般数据的相关信息，例如可用来获取数组的长度和数值范围等。
以下是VHDL中预定义的可综合的数值类属性：
d’LOW–返回数组索引的下限值
d’HIGH–返回数组索引的上限值
d’LEFT–返回数组索引的左边界值
d’RIGHT–返回数组索引的右边界值
d’LENGTH–返回矢量的长度值
d’RANGE–返回矢量的位宽范围
d’REVERSE_RANGE–按相反的次序返回矢量的位宽范围
例：定义信号 SIGNAL d: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
则有：d’LOW = 0, d’HIGH = 7, d’LEFT = 7, d’RIGHT = 0, d’LENGTH = 8,d’RANGE = (7 DOWNTO 0), d’REVERSE_RANGE = (0 TO 7).
l信号类属性
对于信号s，有以下预定义的属性(可综合的)：
s’EVENT若s的值发生变化，则返回布尔量TRUE，否则返回FALSE
s’STABLE若s保持稳定，则返回TRUE，否则返回FALSE
例：clk的上升沿判断
IF (clk’EVENT AND clk = ‘1’)
IF (NOT clk’STABLE AND clk = ‘1’)
WAIT UNTIL (clk’EVENT AND clk = ‘1’)
3.通用属性语句
GENERIC语句提供了一种指定常规参数的方法，所指定的参数是静态的，增加了代码的可重用性，类似于Verilog中的parameter与defparam。GENERIC语句必须在ENTITY中进行声明，由GENERIC语句指定的参数是全局的，不仅可在ENTITY内部使用，也可在后面的整个设计中使用。语法结构如下：
GENERIC (parameter_name: parameter_type := parameter_value);
用GENERIC语句指定多个参数：
GENERIC (n: INTEGER := 8; vector: BIT_VECTOR := “0000_1111”);
三、并发代码
VHDL中并发描述语句有WHEN和GENERATE。除此之外，仅包含AND, NOT, +, *和sll等逻辑、算术运算操作符的赋值语句也是并发执行的。在BLOCK中的代码也是并发执行的。
从本质上讲，VHDL代码是并行执行的。只有PROCESS, FUNCTION, PROCEDURE内部的代码才是顺序执行的。但是当它们作为一个整体时，与其他模块之间又是并行执行的。并发代码称为“数据流”代码。
通常我们只能用并发描述语句来实现组合逻辑电路，为了实现时序逻辑电路，必须使用顺序描述语句。事实上，使用顺序描述语句可以同时实现组合逻辑电路和时序逻辑电路。
在并发代码中可以使用以下各项：
Ø运算操作符
ØWHEN语句(WHEN/ELSE或WITH/SELECT/WHEN)
ØGENERATE语句
ØBLOCK语句
使用运算操作符
运算类型
运算操作符
操作数类型
逻辑运算
NOT, AND, NAND,OR
NOR, XOR, XNORBIT, BIT_VECTOR, STD_LOGIC, STD_LOGIC_VECTOR
STD_ULOGIC, STD_ULOGIC_VECTOR
算术运算符
+, —, *, /, **
INTEGER, SIGNED, UNSIGNED
比较运算符
=, /=, <, >, <=, >=
任意数据类型
移位运算符
sll, srl, sla, sra, rol, ror
BIT_VECTOR
并置运算符
&，(, , ,)
STD_LOGIC, STD_LOGIC_VECTOR, STD_ULOGIC
STD_ULOGIC_VECTOR, SIGNED, UNSIGNED
WHEN语句
WHEN语句是一种基本的并发描述语句，有两种形式：WHEN/ELSE和WITH/SELECT/WHEN。
WHEN/ELSE语法结构：
assignment WHEN condition ELSE
assignment WHEN condition ELSE
…;
WITH/SELECT/WHEN语法结构
WITH identifier SELECT
assignment WHEN value,
assignemnt WHEN value,
…;
当使用WITH/SELECT/WHEN时，必须对所有可能出现的条件给予考虑，使用关键字OTHERS，如果在某些条件出现时不需要进行任何操作，那应该使用UNAFFECTED。
例：
————————————-with WHEN/ELSE——————————————-
Output <= “000” WHEN (inp = ‘0’ OR reset = ‘1’) ELSE
“001” WHEN ctl = ‘1’ ELSE
“010”;
———————————–with WITH/SELECT/WHEN——————————–
WITH control SELECT
Output <= “000” WHEN reset,
“111” WHEN set,
UNAFFECTED WHEN OTHERS;
对于WHEN语句，WHEN value的描述方式有以下几种：
WHEN value–针对单个值进行判断
WHEN value1 to value2–针对取值范围进行判断
WHEN value1 | value2 | …–针对多个值进行判断
GENERATE语句
GENERATE语句和顺序描述语句中的LOOP语句一样用于循环执行某项操作，通常与FOR一起使用。语法结构如下：
label: FOR identifier IN range GENERATE
(concurrent assignments)
END GENERATE
GENERATE语句还有另一种形式：IF/GENERATE，此处不允许使用ELSE。IF/GENERATE可以嵌套在FOR/GENERATE内部使用。反之亦然。
Label1: FOR identifier IN range GENERATE
……
Label2: IF condition GENERATE
(concurrent assignments)
END GENERATE;
……
END GENERATE;
例：
SIGNAL x: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0);
SIGNAL y: BIT_VECTOR(15 DOWNTO 0);
SIGNAL z: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0);
……
G1: FOR i IN x’RANGE GENERATE
z(i) <= x(i) AND y(i+8);
END GENERATE;
GENERATE中循环操作的上界和下界必须是静态的，在使用过程中还要注意多值驱动问题。
例：
OK: FOR i IN 0 TO 7 GENERATE
Output(i) <= ‘1’ WHEN (a(i) AND b(i)) = ‘1’ ELSE ‘0’;
END GENERATE;
—————————————————————————
NotOK: FOR i IN 0 TO 7 GENERATE
accum <= “1111_1111”WHEN(a(i) AND b(i)) = ‘1’ ELSE “0000_0000”;
END GENERATE;
—————————————————————-
NotOK: FOR i IN 0 TO 7 GENERATE
Accum <= accum + 1 WHEN x(i) = ‘1’;
END GENERATE;
—————————————————————-
块语句(BLOCK)
VHDL中有两种BLOCK：simple BLOCK和guarded BLOCK。
nSimple BLOCK
Simple BLOCK仅仅是对原有代码进行区域分割，增强整个代码的可读性和可维护性。语法结构如下：
label：BLOCK
[declarative part]
BEGIN
(concurrent statement)
END BLOCK label;
—————————————————————————————————-
ARCHITETURE example…
BEGIN
…
block1: BLOCK
BEGIN
…
END BLOCK block1;
…
block2: BLOCK
BEGIN
…
END BLOCK block2;
…
END example;
—————————————————————————————–
例：
b1: BLOCK
SIGNAL a: STD_LOGIC;
BEGIN
a <= input_sig WHEN ena = ‘1’ ELSE ‘z’;
END BLOCK b1;
———————————————————————————————————————-
无论是simple BLOCK还是guarded BLOCK，其内部都可以嵌套其他的BLOCK语句，相应的语法结构如下：
label1: BLOCK
[顶层BLOCK声明部分]
BEGIN
[顶层BLOCK并发描述部分]
label2: BLOCK
[嵌套BLOCK声明部分]
BEGIN
[嵌套BLOCK并发描述部分]
END BLOCK label2;
[顶层BLOCK其他并发描述语句]
END BLOCK label1；
———————————————————————————————————
nGuarded BLOCK
多了一个卫式表达式，只有当卫式表达式为真时才能执行。语法结构如下：
Label: BLOCK(卫式表达式)
[声明部分]
BEGIN
(卫式语句和其他并发描述语句)
END BLOCK label;
四、顺序代码
在PROCESS, FUNCTION, PROCEDURE内部的代码都是顺序执行的，这样的语句包括IF，WAIT，CASE和LOOP。变量只能在顺序代码中使用，相对于信号而言，变量是局部的，所以它的值不能传递到PROCESS，FUNCTION和PROCEDURE的外部。
1.进程(PROCESS)
进程内部经常使用IF，WAIT，CASE或LOOP语句。PROCESS具有敏感信号列表(sensitivity list)，或者使用WAIT语句进行执行条件的判断。PROCESS必须包含在主代码段中，当敏感信号列表中的某个信号发生变化时(或者当WAIT语句的条件得到满足时)，PROCESS内部的代码就顺序执行一次。语法结构如下：
[label: ] PROCESS (sensitivity list)
[VARIABLE name type [range] [ := initial_value; ]]
BEGIN
(顺序执行的代码)
END PROCESS [label];
如果要在PROCESS内部使用变量，则必须在关键字BEGIN之前的变量声明部分对其进行定义。变量的初始值是不可综合的，只用于仿真。在设计同步电路时，要对某些信号边沿的跳变进行监视(时钟的上升沿或下降沿)。通常使用EVENT属性来监视一个信号是否发生了变化。
2.信号和变量
信号可在PACKAGE，ENTITY和ARCHITECTURE中声明，而变量只能在一段顺序描述代码的内部声明。因此，信号通常是全局的，变量通常是局部的。赋予变量的值是立刻生效的，在后续的代码中，此变量将使用新的变量值，而信号的值通常只有在整个PROCESS执行完毕后才开始生效。
3.IF语句
IF/ELSE语句在综合时可能会产生不必要的优先级解码电路。IF语句语法结构如下：
IF conditions THEN assignments;
ELSIF conditions THEN assignments;
ELSE assignments;
END IF;
————————————————————————————————
例：
IF (x < y) temp := “1111_1111”;
ELSIF (x = y AND w = ‘0’) THEN temp := “1111_0000”;
ELSE temp := (OTHERS => ‘0’);
4.WAIT语句
如果在process中使用了WAIT语句，就不能使用敏感信号列表了。WAIT语句使用以下3种形式的语法结构：
WAIT UNTIL signal_condition；
WAIT ON signal1 [, signal2, ...];
WAIT FOR time;
WAIT UNTIL后面只有一个信号条件表达式，更适合于实现同步电路(将时钟的上升沿或下降沿作为条件)，由于没有敏感信号列表，所以它必须是process的第一条语句。当WAIT UNTIL语句的条件满足是，process内部的代码就执行一遍。
–带有同步复位的8bit寄存器
process–没有敏感信号列表
begin
wait until (clk’event and clk = ‘1′);
if (rst = ‘1′) then
output <= (others => ‘0′);
elsif (clk’event and clk = ‘1′) then
output <= input;
end if;
end process;
WAIT ON 语句中可以出现多个信号，只要信号列表中的任何一个发生变化，process内的代码就开始执行。
–带异步复位的8bit寄存器
process
begin
wait on clk, rst;
if (rst = ‘1′) then
output <= (others => ‘0′);
elsif (clk’event and clk = ‘1′) then
output <= input;
end if;
end process;
WAIT FOR 语句只能用于仿真。
5.CASE 语句
CASE语句的语法结构如下：
CASE表达式IS
WHEN条件表达式=>顺序执行语句;
WHEN条件表达式=>顺序执行语句;
……
END CASE
例：
case control is
when “00″=>x <= a; y <= b;
when “01″=>x <= b; y <= c;
when others =>x <= “0000″; y <= “zzzz”;
end case;
关键词OTHERS代表了所有未列出的可能情况，与Verilog中default相当。关键词NULL表示没有操作发生，如WHEN OTHERS => NULL.
CASE语句允许在每个测试条件下执行多个赋值操作，WHEN语句只允许执行一个赋值操作。
6.LOOP语句
LOOP语句用在需要多次重复执行时。语法结构有以下几种：
FOR/LOOP: 循环固定次数
[label: ] FOR循环变量IN范围LOOP
(顺序描述语句)
END LOOP [label];
WHILE/LOOP: 循环执行直到某个条件不再满足
[label: ] WHILE condition LOOP
(顺序描述语句)
END LOOP [label];
EXIT: 结束整个循环操作
[label: ] EXIT[label] [WHEN condition];
NEXT: 跳出本次循环
[label: ] NEXT [loop_label] [WHEN condition];
Example: FOR/LOOP
for i in 0 to 5 loop
x(i) <= enable and w(i+2);
y(0, i) <= w(i);
end loop
Example: WHILE/LOOP
while (i < 10) loop — 0~9
wait until clk’event and clk = ‘1′;
(其他语句)
end loop;
for i in 0 to data’range loop
case data(i) is
when ‘0′ =>count := count + 1;
when others => null;
end case;
end loop;
7.CASE语句和IF语句的比较
IF语句和CASE语句编写的代码在综合、优化后最终生成的电路结构是一样的。
例：下面两段代码综合后可以得到结构相同的多路复用器
————with IF————–
if(sel = “00″)then x <= a;
elsif (sel = “01″)then x <= b;
elsif (sel = “10″)then x <= c;
else x <= d;
end if;
————-with case———–
case sel is
when “00″ =>x <= a;
when “01″ =>x <= b;
when “10″ =>x <= c;
when others =>x <= d;
end case;
8.CASE语句和WHEN语句的比较
case语句和when语句的不同之处在于，when语句是并发执行的，case语句是顺序实行的。
–下面两段代码的功能等效
——-with when——————
with sel select
x <= a when “000″,
b when “001″,
c when “101″,
unaffected when others;
——-with case——————
case sel is
when “000″ => x <= a;
when “001″ => x <= b;
when “101″ => x <= c;
when others => null;
end case;
9.使用顺序代码设计组合逻辑电路
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：电路的真值表必须在代码中完整的反映出来。(否则会生成锁存器)
五、信号和变量
常量和信号是全局的，既可以用在顺序执行的代码中，也可用在并发执行的代码中。变量是局部的，只能用在顺序代码中，并且它们的值是不能直接向外传递的。
1.常量
CONSTANT name: type := value;
2.信号-signal
VHDL中的signal代表的是逻辑电路中的“硬”连线，既可用于电路的输入/输出端口，也可用于电路内部各单元之间的连接。Entity的所有端口默认为signal。格式如下：
SIGNAL name: type [range] [:= initial value];
当信号用在顺序描述语句中时，其值不是立刻更新的，信号值是在相应的进程、函数或过程完成之后才进行更新的。对信号赋初值的操作时不可综合的。
3.变量
变量仅用于局部电路的描述，只能在顺序执行的代码中使用，而且对它的赋值是立即生效的，所以新的值可在下一行代码中立即使用。格式：
VARIABLE name: type [range] [:= initial value];
对变量的赋初值操作也是不可综合的。
4.寄存器的数量
当一个信号的赋值是以另一个信号的跳变为条件时，或者说当发生同步赋值时，该信号经过编译后就会生成寄存器。如果一个变量是在一个信号跳变时被赋值的，并且该值最终又被赋给了另外的信号，则综合后就会生成寄存器。如果一个信号在还没有进行赋值操作时已被使用，那么也会在综合时生成寄存器。
process (clk)
begin
if (clk’event and clk = ‘1′) then
output1 <= temp;– output1被寄存
output2 <= a;– output2被寄存
end if;
end process;
process (clk)
begin
if (clk’event and clk = ‘1′) then
output1 <= temp;– output1被寄存
end if;
output2 <= a;– output2未被寄存
end process;
process (clk)
variable temp:bit;
begin
if (clk’event and clk = ‘1′) then
temp <= a;
end if;
x <= temp;– temp促使x被寄存
end process;
六、包集元件
1.包集
经常使用的代码通常以component，function或procedure的形式编写。这些代码被添加到package中，并在最后编译到目标library中。Package中还可以包含TYPE和CONSTANT的定义。语法格式如下：
package package_name is
(declaration)
end package_name;
package body package_name is
(function and procedure description)
end package_name;]
Example6.1 简单的程序包
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
———————————————————————-
package my_package is
type state is (st1, st2, st3, st4);
type color is (red, green, blue);
constant vec:std_logic_vector(7 downto0) := “1111_1111″;
end my_package;
Example6.2 内部包含函数的package
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
———————————————————————-
package my_package is
type state is (st1, st2, st3, st4);
type color is (red, green, blue);
contant vec: std_logic_vector(7 downto 0) := “1111_1111″;
function positive_edge(signal s: std_logic) return boolean;
end my_package;
———————————————————————-
package body my_package is
function positive_edge(signal s: std_logic) return booleanis
begin
return(s’event and s = ‘1′);
end positive_edge;
end my_package;
