摘 要：　在設(shè)計過程中，如果信號和變量的定義不合適的話，設(shè)計結(jié)果完全不一樣，因此在設(shè)計過程中需要謹慎使用信號和變量。

在VHDL程序設(shè)計中，可以充分利用信號或變量的系統(tǒng)默認值，來靈活實現(xiàn)設(shè)計目標。本文從應(yīng)用的角度舉例說明了VHDL設(shè)計中信號與變量的區(qū)別，以及正確的使用方法，并介紹了為信號或變量賦予初始值的技巧。

概述

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，用傳統(tǒng)的方法進行芯片或系統(tǒng)設(shè)計已不能滿足要求，迫切需要提高設(shè)計效率，因此能大大降低設(shè)計難度的VHDL設(shè)計方法被越來越廣泛地采用。用VHDL語言設(shè)計系統(tǒng)的主要方法是：設(shè)計者根據(jù)VHDL的語法規(guī)則，對系統(tǒng)目標的邏輯行為進行描述，然后通過綜合工具進行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯、優(yōu)化，通過仿真工具進行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時延的仿真，最后把設(shè)計的程序下載到芯片中，成功地實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

在VHDL設(shè)計中，最常用的數(shù)據(jù)對象主要有三種：信號(signal)、變量(variable)和常數(shù)(constant)。信號是電子電路內(nèi)部硬件連接的抽象。它除了沒有數(shù)據(jù)流動方向說明以外，其他性質(zhì)幾乎和“端口”一樣；信號是一個全局量，它可以用來進行進程之間的通信。變量只能在進程語句、函數(shù)語句和過程語句結(jié)構(gòu)中使用，是一個局部量。

在VHDL語言中，對信號賦值是按仿真時間進行的，到了規(guī)定的仿真時間才進行賦值，而變量的賦值是立即發(fā)生的。下面的例子是從賦初值的角度說明信號與變量的這種區(qū)別的。

例如用VHDL語言實現(xiàn)初值為A的十六進制的16個數(shù)的循環(huán)顯示。

對于如此的設(shè)計要求，如果用變量實現(xiàn)，則VHDL程序如下。

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity sevenauto is

port(clk:in std_logic;

y:out std_logic_vector(6 downto 0));

end sevenauto;

architecture behave of sevenauto is

begin

process(clk)

variable count:std_logic_vector(3 downto 0);

variable init:std_logic;

begin

if (clk''event) and (clk=''1'') then

if (init = ''0'') then

count:= "1001";

init:=''1'

end if;

count:=count+1;

case count is

when "0000"=>y<="1111110";

when "0001"=>y<="0110000";

when X"2"=>y<="1101101";

when X"3"=>y<="1111001";

when X"4"=>y<="0110011";

when X"5"=>y<="1011011";

when X"6"=>y<="1011111";

when X"7"=>y<="1110000";

when X"8"=>y<="1111111";

when X"9"=>y<="1111011";

when X"A"=>y<="1110111";

when X"B"=>y<="0011111";

when X"C"=>y<="1001110";

when "1101"=>y<="0111101";

when "1110"=>y<="1001111";

when "1111"=>y<="1000111";

when thers=>y<="XXXXXXX";

end case;

end if;

end process;

end behave;

在程序中，定義了變量count，希望初始值為“1010”。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在定義變量或信號時直接賦予初始值不能生效(如variable count:std_logic_vector(3 downto 0) :=“1010”)，它的初始值仍然是系統(tǒng)默認值(如count為“0000”)。正是利用這一點，通過init(初始值為''0'')來給count賦初值 A即“1010”，具體方法見程序中斜體部分。這樣，在第一個脈沖來時執(zhí)行斜體部分if語句，而第二個脈沖來時由于init不為''0''而是''1''，因此不執(zhí)行該部分語句，從而實現(xiàn)為count賦初值的功能，這樣程序從A開始進行數(shù)字的循環(huán)顯示。

如果把count類型改為signal，則結(jié)果將大不一樣。

signal count: std_logic_vector(3 downto 0);

process(clk)

variable init :std_logic;

begin

if (clk''event) and (clk=''1'') then

if (init = ''0'') then

count<= "1001"; --(1)

init := ''1'

end if;

count<=count+1; --(2)

由于信號的賦值不是立即發(fā)生的，在語句(1)后面還存在對信號count的賦值操作(2)，因此，語句(1)在此不起作用，count的最后值是語句 (2)的值。因此如果將count設(shè)為signal的話，程序?qū)崿F(xiàn)的是從0開始的16個十六進制數(shù)的循環(huán)。在這里，對信號賦初值的語句是不可行的。

仿真結(jié)果

將設(shè)計好的VHDL程序在Altera公司提供的軟件maxplusⅡ10.1環(huán)境下進行編譯仿真，得到的仿真結(jié)果如圖1、圖2所示，其中圖1是 count為變量的結(jié)果，圖2是count為信號的結(jié)果，其中輸出y[6...0]分別與七段數(shù)碼管的abcdefg七段相連。

從圖1可以看出，在第一個時鐘脈沖上升沿，結(jié)果是“1110111”，數(shù)碼管顯示即為A，然后依次為b,C,d, E,F,0,1...9,A...循環(huán)下去，此處用小寫的b和d，主要是與數(shù)字8進行區(qū)別。

從圖中可以看出，在第一個時鐘脈沖上升沿，結(jié)果是“1111110”，數(shù)碼管顯示即為0，然后依次示1...9,A, b,C,d,E,F,0,...循環(huán)下去。