VHDL设计中信号与变量问题的研究

摘 要：　在设计过程中，如果信号和变量的定义不合适的话，设计结果完全不一样，因此在设计过程中需要谨慎使用信号和变量。

在VHDL程序设计中，可以充分利用信号或变量的系统默认值，来灵活实现设计目标。本文从应用的角度举例说明了VHDL设计中信号与变量的区别，以及正确的使用方法，并介绍了为信号或变量赋予初始值的技巧。

概述

随着集成电路技术的发展，用传统的方法进行芯片或系统设计已不能满足要求，迫切需要提高设计效率，因此能大大降低设计难度的VHDL设计方法被越来越广泛地采用。用VHDL语言设计系统的主要方法是：设计者根据VHDL的语法规则，对系统目标的逻辑行为进行描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译、优化，通过仿真工具进行逻辑功能仿真和系统时延的仿真，最后把设计的程序下载到芯片中，成功地实现系统功能。

在VHDL设计中，最常用的数据对象主要有三种：信号(signal)、变量(variable)和常数(constant)。信号是电子电路内部硬件连接的抽象。它除了没有数据流动方向说明以外，其他性质几乎和“端口”一样；信号是一个全局量，它可以用来进行进程之间的通信。变量只能在进程语句、函数语句和过程语句结构中使用，是一个局部量。

在VHDL语言中，对信号赋值是按仿真时间进行的，到了规定的仿真时间才进行赋值，而变量的赋值是立即发生的。下面的例子是从赋初值的角度说明信号与变量的这种区别的。

例如用VHDL语言实现初值为A的十六进制的16个数的循环显示。

对于如此的设计要求，如果用变量实现，则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，定义了变量count，希望初始值为“1010”。通过实验发现，在定义变量或信号时直接赋予初始值不能生效(如variable count:std_logic_vector(3 downto 0) :=“1010”)，它的初始值仍然是系统默认值(如count为“0000”)。正是利用这一点，通过init(初始值为''0'')来给count赋初值 A即“1010”，具体方法见程序中斜体部分。这样，在第一个脉冲来时执行斜体部分if语句，而第二个脉冲来时由于init不为''0''而是''1''，因此不执行该部分语句，从而实现为count赋初值的功能，这样程序从A开始进行数字的循环显示。

如果把count类型改为signal，则结果将大不一样。

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)

由于信号的赋值不是立即发生的，在语句(1)后面还存在对信号count的赋值操作(2)，因此，语句(1)在此不起作用，count的最后值是语句 (2)的值。因此如果将count设为signal的话，程序实现的是从0开始的16个十六进制数的循环。在这里，对信号赋初值的语句是不可行的。

仿真结果

将设计好的VHDL程序在Altera公司提供的软件maxplusⅡ10.1环境下进行编译仿真，得到的仿真结果如图1、图2所示，其中图1是 count为变量的结果，图2是count为信号的结果，其中输出y[6...0]分别与七段数码管的abcdefg七段相连。

从图1可以看出，在第一个时钟脉冲上升沿，结果是“1110111”，数码管显示即为A，然后依次为b,C,d, E,F,0,1...9,A...循环下去，此处用小写的b和d，主要是与数字8进行区别。

从图中可以看出，在第一个时钟脉冲上升沿，结果是“1111110”，数码管显示即为0，然后依次示1...9,A, b,C,d,E,F,0,...循环下去。