劉琳　吳維林

摘要：隨著航天產(chǎn)品中越來(lái)越廣泛使用FPGA器件，熟練掌握VHDL硬件語(yǔ)言對(duì)于電路設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。變量和信號(hào)是VHDL語(yǔ)言中最為常用和最重要的兩種數(shù)據(jù)對(duì)象，該文針對(duì)變量和信號(hào)的重要區(qū)別和使用技巧展開(kāi)了探討，并結(jié)合實(shí)際FPGA測(cè)試中的實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：FPGA；VHDL；變量和信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0219-04

1 概述

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的航天產(chǎn)品中開(kāi)始使用FPGA器件， FPGA設(shè)計(jì)中使用的硬件語(yǔ)言VHDL語(yǔ)言由于發(fā)展的較早，語(yǔ)法嚴(yán)格，非常適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，被航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)師廣泛應(yīng)用。

變量和信號(hào)是VHDL語(yǔ)言中最為常用和最重要的兩種數(shù)據(jù)對(duì)象，在電路設(shè)計(jì)中正確應(yīng)用變量和信號(hào)是成功完成電路設(shè)計(jì)的重要因素。在對(duì)航天型號(hào)FPGA產(chǎn)品的評(píng)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)師在使用VHDL語(yǔ)言時(shí)會(huì)對(duì)變量和信號(hào)的使用把握不準(zhǔn)確，導(dǎo)致一些不必要的問(wèn)題發(fā)生。因此，深入研究VHDL中變量和信號(hào)的基本特性和應(yīng)用特點(diǎn)十分重要，對(duì)于提高FPGA的設(shè)計(jì)效率有著重要的意義。

2 變量和信號(hào)的主要區(qū)別

信號(hào)、變量和常量是VHDL中常用的2類(lèi)數(shù)據(jù)對(duì)象。變量非常接近軟件高級(jí)語(yǔ)言中的變量、而信號(hào)則具備更多的硬件特征，能對(duì)應(yīng)硬件電路中的實(shí)際連線，是VHDL語(yǔ)言所特有的。信號(hào)和變量的用法和區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）變量是一個(gè)局部量，只能在進(jìn)程和子程序中聲明和使用。信號(hào)是一個(gè)全局量，使用和定義范圍是實(shí)體、結(jié)構(gòu)體和程序包，它具有全局性特征。例如，在實(shí)體中定義的信號(hào)可以被該實(shí)體中所有的進(jìn)程使用。因此，信號(hào)可以作為信息交流通道在不同進(jìn)程之間傳遞信息。

2）變量和信號(hào)的賦值語(yǔ)句不同，前者為“：=”，后者為“<=”。

3）進(jìn)程中的敏感列表中可以有信號(hào)，不能有變量。

4）變量的賦值不存在延時(shí)，是立即發(fā)生的，而信號(hào)賦值都是有延時(shí)的。在一個(gè)進(jìn)程中，如果對(duì)同一個(gè)信號(hào)多次賦值，僅最后一次賦值是有效的，如果對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行多次賦值，那么每次賦值都是有效的，變量的值在再次賦值之前一直保持不變。

結(jié)合以下的幾個(gè)例子我們可以體會(huì)到變量和信號(hào)在賦值時(shí)的不同之處。在程序1中，由于信號(hào)賦值有延時(shí)，即進(jìn)程結(jié)束時(shí)賦新值，所以結(jié)果是a和b 的值互換；而程序2中，由于變量賦值是立即更新的，所以結(jié)果是a和b的值均為b。

程序1：

architecture xinhao_arch of xinhao is

signal a，b ： std_logic； —信號(hào)

begin

process （a，b）

begin

a <= b；

b <= a；

end process；

end xinhao_arch ；

程序2：

architecture bianliang_arch of bianliang is

begin

process

variable a，b ： std_logic；—變量

begin

a ：= b；

b ：= a；

end process；

end bianliang_arch ；

程序3和程序4是將輸入信號(hào)din用信號(hào)賦值和變量賦值的方法分別賦值給輸出信號(hào)dout。我們分別比較兩種情況下的區(qū)別。

程序3：

entity xh is

port（

din ： in std_logic；—輸入信號(hào)

clk ： in std_logic；—時(shí)鐘信號(hào)

dout ： out std_logic –輸出信號(hào)

）；

end xh；

architecture xh_a of xh is

signal da，db： std_logic；—信號(hào)

begin

process（clk）

begin

if rising_edge（clk） then

da <= din；

db <= da；

end if；

end process ；

dout <= db；

end xh_a；

在程序3中，由于信號(hào)的賦值不是即時(shí)的，輸入端口din的值在賦給輸出端口dout時(shí)經(jīng)過(guò)了2個(gè)時(shí)鐘延時(shí)，所以它由2個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，如圖1和圖2。

程序4：

entity bl is

port（

din ： in std_logic；

clk ： in std_logic；

dout ： out std_logic

）；

end bl；

architecture bl_b of bl is

begin

process（clk）

variable da，db： std_logic；—變量

begin

if rising_edge（clk） then

da ：= din；

db ：= da；

dout <= db；

end if；

end process ；

end bl_b；

程序4中，由于變量的賦值是即時(shí)的，相當(dāng)于把輸入端口din的的值賦給輸出端口dout，所以它由一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，如圖3、圖4。

3 變量和信號(hào)賦初值技巧

在FPGA設(shè)計(jì)中，復(fù)位時(shí)賦予各個(gè)信號(hào)初值是很有必要的，否則可能出現(xiàn)不定態(tài)。在給變量和信號(hào)定義的時(shí)候雖然可以賦初值，但應(yīng)該注意的是，這個(gè)初始值只是對(duì)于行為級(jí)仿真來(lái)說(shuō)有用 ， 綜合器在綜合時(shí)會(huì)忽略這些信息。

在某型號(hào)FPGA產(chǎn)品測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)師使用多個(gè)變量信號(hào)，并對(duì)這些變量信號(hào)賦初始值，前仿真結(jié)果正確，但后仿真中觀測(cè)的信號(hào)為不定值，無(wú)法順利進(jìn)行后仿真。程序部分代碼如下：

process（clk）

variable en ： std_logic ：= '0'；

variable cnt ： std_logic_vector（1 downto 0） ：= （others =>'0'）；

begin

if rising_edge（clk） then

cnt ：= cnt + （clk2 and en）；

en ：= not clk2

end if；

end process；

波形見(jiàn)下圖5

分析其原因：在定義變量en和cnt時(shí)直接給其賦初始值并不能生效，這是因?yàn)榫C合過(guò)程中綜合器將略去所有變量的初始值，因此變量en和cnt在后仿真中為不確定態(tài)，從而使得后仿真無(wú)法順利進(jìn)行。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變量en和cnt賦初值，需要對(duì)程序進(jìn)行如下修改。修改后仿真波形見(jiàn)下圖6，后仿真結(jié)果正確。

process（clk）

variable en ： std_logic；

variable cnt ： std_logic_vector（1 downto 0）；

begin

if rising_edge（clk） then

if reset = '0' then — reset為全局復(fù)位信號(hào)

cnt ：= （others=>'0'）；

en ：= '0'；

else

cnt ：= cnt + （clk2 and en）；

en ：= not clk2；

end if；

end if；

end process；

由此可見(jiàn)，信號(hào)和變量應(yīng)該避免在定義時(shí)初始化賦值。而改由在相應(yīng)的位置（如復(fù)位處）進(jìn)行初始化。因此，無(wú)論是在仿真還是綜合時(shí)，都建議使用這樣的方法（在復(fù)位處）進(jìn)行初始化。

4 變量和信號(hào)使用特點(diǎn)

在實(shí)際編程中，我們要結(jié)合變量和信號(hào)有各自的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)在不同的情況下進(jìn)行選擇使用，尤其注意以下幾個(gè)幾點(diǎn)：

1）變量可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的算法，也可以進(jìn)行建模。對(duì)于仿真來(lái)說(shuō)，使用變量一般可以提高程序的仿真速度，縮短測(cè)試周期，但在有的仿真器中也存在無(wú)法直接觀測(cè)變量波形和變化值，使得仿真過(guò)程復(fù)雜化。

2）變量賦值雖然是無(wú)延時(shí)的，但變量的操作綜合后容易在硬件上產(chǎn)生較大的延時(shí)，這是因?yàn)閷?duì)變量的操作往往被綜合成為組合邏輯。而信號(hào)更接近于硬件，綜合后一般對(duì)應(yīng)成觸發(fā)器，能很好的控制硬件上的延時(shí)。因此，從這個(gè)意義上講使用信號(hào)能提高設(shè)計(jì)的速度。

3）變量由于其有效范圍只是局限在它所在的進(jìn)程之中，因此要將變量的值傳輸?shù)竭M(jìn)程之外的話必須要先傳輸給信號(hào)，利用信號(hào)的全局特性進(jìn)行信息傳遞。因此，程序中如果大量使用變量就必須同時(shí)定義若干個(gè)相關(guān)信號(hào)，在多個(gè)進(jìn)程之間傳遞大量的信息十分的不方便，也大大降低了程序的可讀性。而信號(hào)不存在這樣的缺點(diǎn)，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使用信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部信息傳遞。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的討論可知，在FPGA設(shè)計(jì)中，要特別注意信號(hào)和變量的區(qū)別和使用特點(diǎn)，靈活掌握信號(hào)和變量的使用技巧，提高設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 金寶根.VHDL中常用數(shù)據(jù)對(duì)象的應(yīng)用及注意事項(xiàng)[J].信息技術(shù)，2012（5）.