FPGA设计及应用 课件 第6章 包集、元件子程序

FPGA设计及应用西安科技大学通信与信息工程学院主代码2

概述第6章包集、元件和子程序

库声明

实体entity结构体

architecture

LIBRARY声明

包集PACKAGE

COMPONENTFUNCTIONPROCEDUREVHDL代码的基本组成配置configuration3

包集（package）包集的概念：已定义的常数、数据类型、元件调用说明、子程序的一个集合，类似于C语言中的“.h”文件（头文件）；使用包集的目的：方便公共信息、资源的访问和共享。包集的主要内容：除了包含元件(component)、函数(function)和过程(procedure)之外，还可以包含类型(type)和常量(constant)；元件、函数和过程的作用：经常使用的VHDL代码通常以这几种形式编写，从而可以被添加到包集中，然后被编译到目标library中，有利于代码分割、代码共享和代码重用；库：多个包集构成库。

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package包集名is{声明：元件、函数、过程、类型和常量说明}

end包集名；

[packagebody包集名is{包体说明项:函数、过程的所有描述代码}

end包集名；]包集的语法结构包集的声明部分，必须包体，可选虽然包体是可选的，但是如果包集的声明部分有一个或多个函数、过程的声明，则在包体部分必须存在对应的描述代码；如果在包集的声明部分含有元件，则不必在包体中出现该元件的描述代码，元件的代码以完整的.vhd文件存在。package和对应的packagebody的名称必须相同！特殊注意：5---------------------------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_packageistypestateis(st1,st2,st3,st4);typecoloris(red,green,blue);constantvec:std_logic_vector(7downto0):=“11111111”;endmy_package;---------------------------------例1简单的程序包仅包含类型和常量声明的package，不需要使用packagebody！6libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_packageistypestateis(st1,st2,st3,st4);typecoloris(red,green,blue);constantvec:std_logic_vector(7downto0):=“11111111”;

functionpositive_edge(signals:std_logic)returnboolean;endmy_package;---------------------------------packagebodymy_packageis

functionpositive_edge(signals:std_logic)returnbooleanisbeginreturn(s’eventANDclk=‘1’);endpositive_edge;endmy_package;例2内部包含函数的packagelibraryieee;useieee.std_logic_1164.all;usework.my_package.all;---------------------------------entity..........................architecture...................package可以被编译成work或其它库中的一部分！包集中除了说明类型和变量之外，还包括了一个函数要使用自定义的包集，必须在主程序中加入一个use语句在包集中出现自定义函数时，须使用packagebody声明这个函数7元件声明的两种位置（或两种方法）a.在主代码段中声明b.在package中声明8例3在主代码中声明元件设计步骤：

编写几个基本组成模块（两个模块：h_adder/or2a）的.vhd文件;

在主代码中将这几个基本组成模块声明为元件；在主代码中实例化这些元件。9----------------文件h_adder.vhd-------------llibraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityh_adderis port(a,b:inSTD_LOGIC; co,so:outSTD_LOGIC);endh_adder;architecturefhofh_adderisbeginso<=axorb;co<=aandb;endfh;------------------------------------------------具体实现(1)：两个待声明的.vhd文件----------------文件or2a.vhd-------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityor2aisport(a,b:instd_logic;c:outstd_logic);endor2a;architectureoneofor2aisbeginc<=aorb;endone;---------------------------------------------注意：文件名、实体名必须一致！10具体实现(2)：主.vhd文件，将前两个文件的代码作为元件加以实例化，用以实现新的功能。----------------主文件f_adder.vhd-------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityf_adderis port(ain,bin,cin:instd_logic; cout,sum:outstd_logic); endentityf_adder;architecturefd1off_adderis componenth_adder port（a,b:instd_logic; co,so:outstd_logic）; endcomponent;--对应文件h_adder.vhd componentor2a

port(a,b:inSTD_LOGIC; c:outSTD_LOGIC);endcomponent;

--对应文件or2a.vhdsignald,e,f:std_logic;------------------------------------------------注意：主文件名与其实体名必须一致，元件名称必须与元件所在文件的文件名及文件中的实体名一致!！----------------------------beginu1:h_adderportmap(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e);--元件例化u2:h_adderportmap(a=>e,b=>cin,co=>f,so=>sum);u3:or2aportmap(a=>d,b=>f,c=>cout);endarchitecturefd1;-----------------------------------------------11例4在包集中声明元件设计步骤：

编写几个基本组成模块（两个模块：h_adder/or2a）的.vhd文件;

创建一个包集文件，在该包集中将这几个基本组成模块声明为元件；在主代码中use该包集；在主代码中实例化这些元件。虽多了一个包集文件，但可避免在主代码中每实例化一个元件就声明一次，在有多个主文件时很方便!！12具体实现：省略前两个.vhd文件----------------主文件f_adder.vhd-------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;usework.my_components.all;entityf_adderis port(ain,bin,cin:instd_logic; cout,sum:outstd_logic); endentityf_adder;architecturefd1off_adderissignald,e,f:std_logic;beginu1:h_adderportmap(a=>ain,b=>bin,co=>d,so=>e);--元件例化u2:h_adderportmap(a=>e,b=>cin,co=>f,so=>sum);u3:or2aportmap(a=>d,b=>f,c=>cout);endarchitecturefd1;------------------------------------------------------包集文件my_components.vhd----------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_componentsis-------------元件在包集中的声明-------componenth_adder port（a,b:instd_logic; co,so:outstd_logic）;endcomponent;--对应文件h_adder.vhd------------------------------------------------componentor2a

port(a,b:inSTD_LOGIC; c:outSTD_LOGIC);endcomponent;

--对应文件or2a.vhd------------------------------------------------endmy_components;------------------------------------------------注意：主文件中包集名称必须与包集文件名及包集文件中包集定义名一致！例5用例化的方式实现4位全加器思考：怎样用1位全加器作为元件，实现如图所示4位全加器？例6用例化的方法实现异步复位的移位寄存器思考：怎样用异步复位D触发器作为元件，实现如图所示4位移位寄存器？15

子程序

函数(function)和过程(procedure)统称为子程序(subprogram)。子程序与进程的相同点：内部包含的都是顺序描述代码，使用相同的顺序描述语句，如if,case和loop(wait语句除外)。子程序与进程语句的区别：

在使用目的上：进程可以直接在主代码中使用；而子程序一般在建库时使用，以便代码重用和代码共享。当然子程序也是可以在主代码中直接建立和使用的。

在使用方法上：1、子程序不能从结构体的其余部分直接读写信号，所有通信都是通过子程序的接口来完成的；进程可以直接读写结构体内的其它信号。

2、子程序中不允许使用wait语句。

16子程序的存放位置：

Package、Architecture、Process子程序与硬件规模：与普通软件中子程序调用的区别：

普通软件子程序调用增加处理时间；

VHDL中每调用一次子程序，其综合后都将对应一个相应的电路模块。子程序调用次数与综合后的电路规模成正比。设计中应严格控制子程序调用次数。17子程序的类型：

过程（Procedure）：0个或多个

in、inout、或out参数。可获得多个返回值。

函数（Function）：

0个或多个in参数，一个return值。只能获得一个返回值。

过程可作为一种独立的语句结构而单独存在，函数通常作为表达式的一部分来调用。子程序包含两部分：子程序声明和子程序主体。18

函数(function)

一个函数就是一段顺序描述的代码。对于一些经常遇到的具有共性的设计问题，如数据类型转换、算术运算等，希望将其功能实现的代码被共享和重用，使主代码简洁并易于理解---函数。注意：由于在于每次调用函数时，都要首先对其进行初始化，即一次执行结束后再调用需再次初始化，即函数内部的值是不能保持的，因此在函数中禁止进行信号声明和元件实例化。函数的使用过程：先创建函数，再调用函数。19

函数的存放函数存放位置包集（+包体）主代码LIBRARYARCHITECTURE（声明部分）实体必须！20例1：在主代码中定义函数,可以出现在entity中，也可以出现在architecture中。如存放于architecture中的声明：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydffisport(d,clk,rst:instd_logic;q:outstd_logic);enddff;architecturemy_archofdffis

functionpositive_edge(signals:std_logic)returnbooleanisbegin

return(s’eventands=‘1’);

endpositive_edge;beginprocess(clk,rst)beginif(rst=‘1’)thenq<=‘0’;elsifpositive_edge(clk)thenq<=d;endif;endprocess;endmy_arch;

21例2(1)：在包集中定义函数，可以方便地被其它设计所重用和共享。注意：函数在package中声明，在packagebody中定义。---------------在包集中定义函数-------------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_packageis

functionpositive_edge(signals:std_logic)returnboolean;endmy_package;packagebodymy_packageis

functionpositive_edge(signals:std_logic)returnbooleanisbegin

return(s’eventands=‘1’);endpositive_edge;endmy_package;要先声明再定义22例2(2)：在主代码中调用在包集中定义的函数。---------------在主代码中调用包集中定义的函数-------------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;usework.my_package.all;entitydffisport(d,clk,rst:instd_logic;q:outstd_logic);enddff;architecturemy_archofdffisbeginprocess(clk,rst)beginif(rst=‘1’)thenq<=‘0’;elsifpositive_edge(clk)thenq<=d;endif;endprocess;endmy_arch;23例3：在包集中定义conv_integer（）函数

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_packageisfunctionconv_integer(signalvector:std_logic_vector)returninteger;endmy_package;packagebodymy_packageisfunctionconv_integer(signalvector:std_logic_vector)returnintegerisvariableresult:integerrange0to2**vector’length-1;beginif(vector(vector’high)=‘1’)thenresult:=1;elseresult:=0;endif;foriin(vector’high-1)downto(vector’low)loopresult:=result*2;if(vector(i)=‘1’)thenresult:=result+1;endif;endloop;returnresult;endconv_integer;endmy_package;24-------在主代码中调用包集中定义的函数-------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;usework.my_package.all;entityconv_int2isport(a:instd_logic_vector(0to3);y:outintegerrange0to15);endconv_int2;architecturemy_archofconv_int2isbegin

y<=conv_integer(a);endmy_arch;25例4：“+”函数：

功能描述：扩展预定义的“+”操作符，进行std_logic_vector类型数据的加法运算。实现方式：在包集中定义函数，在主代码中调用。-------在包集中定义函数----libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;packagemy_packageisfunction“+”(a,b:std_logic_vector)returnstd_logic_vector;endmy_package;packagebodymy_packageisfunction“+”(a,b:std_logic_vector)returnstd_logic_vectorisvariableresult:std_logic_vector(3downto0);variablecarry:std_logic;begincarry:=‘0’;foriina’reverse_rangeloopresult(i):=a(i)XORb(i)XORcarry;carry:=(a(i)ANDb(i))OR(a(i)ANDcarry)OR(b(i)ANDcarry);endloop;returnresult;end“+”;endmy_package;比较特殊的函数名称26-------在主代码中调用包集中定义的函数--------------

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;usework.my_package.all;entityadd_bitisport(a:instd_logic_vector(3downto0);y:outstd_logic_vector(3downto0));endadd_bit;architecturemy_archofadd_bitis

CONSTANTb:std_logic_vector(3downto0):=“0011”;

CONSTANTc：std_logic_vector(3downto0):=“0110”;begin

y<=a+b+c;--重载“+”操作符endmy_arch;与通常的函数形式func（<参数列表>）有所不同！27

过程(procedure)

过程与函数的使用目的相似，也是希望将其功能实现的代码被共享和重用，使主代码简洁并易于理解。

过程通常用来定义一个算法，而函数用来产生一个具有特定意义的值；注意：过程与函数的主要差别就是过程可以有多个返回值。过程的使用过程：先定义过程，再调用过程。28

过程的存放过程存放位置包集（+包体）主代码LIBRARYARCHITECTURE（声明部分）实体必须！29例1：过程存放在主代码中min_maxinp1inp2min_outmax_outena多个输出，宜采用过程方式过程sort的功能描述：对输入两个8位的无符号整数进行比较，数值小的从min_out输出，数值大的从max_out输出。30代码实现：

--在主代码中存放过程libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitymin_maxisgeneric(limit:integer:=255);port(ena:inbit;inp1,inp2:inintegerrange0tolimit;min_out,max_out:outintegerrange0tolimit);endmin_max;architecturemy_archofmin_maxis

proceduresort(signalin1,in2:inintegerrange0tolimit;signalmin,max:outintegerrange0tolimit)isbeginif(in1>in2)thenmax<=in1;min<=in2;elsemax<=in2;min<=in1;endif;endsort;beginprocess(ena)beginif(ena=‘1’)thensort(inp1,inp2,min_out,max_out);endif;endprocess;endmy_arch;名称可以不同，但顺序要一致！31例2：过程存放在包集中（续前例）-------在包集中定义过程sort------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;PACKAGEmy_packageisCONSTANTlimit:integer:=255);PROCEDUREsort(signalin1,i