摘 要：本文從應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。

　　關(guān)鍵詞：VHDL；信號；變量

　　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，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，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 others=>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(chǔ)即“1010”，具體方法見程序中斜體部分。這樣，在個脈沖來時執(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。

圖1

圖2

　　從圖1可以看出，在個時鐘脈沖上升沿，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。

　　結(jié)論

　　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。

　　參考文獻：

　　1 CPLD系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)入門與應用.黃正謹,徐堅等編著. 電子工業(yè)出版社
　　2 電子設(shè)計硬件描述語言VHDL. DouglasL. Perry編著. 學苑出版社
　　3 硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計. 侯伯亨,顧新編著. 西安電子科技大學出版社