VHDL设计中变量与信号探析摘要：随着航天产品中越来越广泛使用FPGA器件，熟练掌握VHDL硬件语言对于电路设计显得至关重要。变量和信号是VHDL语言中最为常用和最重要的两种数据对象，该文针对变量和信号的重要区别和使用技巧展开了探讨，并结合实际FPGA测试中的实例进行了详细的阐述和仿真验证。关键词:FPGA；VHDL；变量和信号中图分类号:TP31文献标识码：A文章编号:1009-3044(2014)01-0219-041概述随着EDA技术的发展，越来越多的航天产品中开始使用FPGA器件，FPGA设计中使用的硬件语言VHDL语言由于发展的较早，语法严格，非常适合大规模系统的设计，被航天产品设计师广泛应用。变量和信号是VHDL语言中最为常用和最重要的两种数据对象，在电路设计中正确应用变量和信号是成功完成电路设计的重要因素。在对航天型号FPGA产品的评测过程中发现，设计师在使用VHDL语言时会对变量和信号的使用把握不准确，导致一些不必要的问题发生。因此，深入研究VHDL中变量和信号的基本特性和应用特点十分重要，对于提高FPGA的设计效率有着重要的意义。仿真来说有用，综合器在综合时会忽略这些信息。2变量和信号的主要区别信号、变量和常量是VHDL中常用的2类数据对象。变量非常接近软件髙级语言中的变量、而信号则具备更多的硬件特征，能对应硬件电路中的实际连线，是VHDL语言所特有的。信号和变量的用法和区别主要体现在以下几个方面。1）变量是一个局部量，只能在进程和子程序中声明和使用。信号是一个全局量，使用和定义范围是实体、结构体和程序包，它具有全局性特征。例如，在实体中定义的信号可以被该实体中所有的进程使用。因此，信号可以作为信息交流通道在不同进程之间传递信息。2）变量和信号的赋值语句不同，前者为“：二”，后者为“endif；endprocess；endbl_b；程序4中，由于变量的赋值是即时的，相当于把输入端口din的的值赋给输出端口dout,所以它由一个D触发器构成，如图3、图4O3变量和信号赋初值技巧在FPGA设计中，复位时赋予各个信号初值是很有必要的，否则可能出现不定态。在给变量和信号定义的时候虽然可以赋初值，但应该注意的是，这个初始值只是对于行为级在某型号FPGA产品测试时发现设计师使用多个变量信号，并对这些变量信号赋初始值，前仿真结果正确，但后仿真中观测的信号为不定值，无法顺利进行后仿真。程序部分代码如下：process(elk)variableen:std_logic:='0，；variableent:std_logic_vector(1downto0):=(others=>'0，)；beginifrising_edge(elk)thenent:=ent+(clk2anden)；en:二notclk2endif；endprocess；波形见下图5分析其原因：在定义变量en和ent时直接给其赋初始值并不能生效，这是因为综合过程中综合器将略去所有变量的初始值，因此变量en和ent在后仿真中为不确定态，从而使得后仿真无法顺利进行。为了实现对变量en和ent赋初值，需要对程序进行如下修改。修改后仿真波形见下图6,后仿真结果正确。process(elk)variableen:std_logic；variableent:std_logic_vector(1downto0)；beginifrising_edge(elk)thenifreset='0，then—reset为全局复位信号ent:=(others=>'0，)；en:二"0，；elseent:二ent+(clk2anden)；en:=notclk2；endif；endif；endprocess；由此可见，信号和变量应该避免在定义时初始化赋值。而改由在相应的位置(如复位处)进行初始化。因此，无论是在仿真还是综合时，都建议使用这样的方法(在复位处)进行初始化。4变量和信号使用特点在实际编程中，我们要结合变量和信号有各自的区别和优缺点在不同的情况下进行选择使用，尤其注意以下几个几点：1)变量可以用来实现一些复杂的算法，也可以进行建模。对于仿真来说，使用变量一般可以提高程序的仿真速度,缩短测试周期，但在有的仿真器中也存在无法直接观测变量波形和变化值，使得仿真过程复杂化。2）变量赋值虽然是无延时的，但变量的操作综合后容易在硬件上产生较大的延时，这是因为对变量的操作往往被综合成为组合逻辑。而信号更接近于硬件，综合后一般对应成触发器，能很好的控制硬件上的延时。因此，从这个意义上讲使用信号能提高设计的速度。3）变量由于其有效范围只是局限在它所在的进程之中,因此要将...