VHDL/Wersja do druku

VHDL

Aktualna, edytowalna wersja tego podręcznika jest dostępna w Wikibooks, bibliotece wolnych podręczników pod adresem
https://pl.wikibooks.org/wiki/VHDL

Całość tekstu jest objęta licencją CC-BY-SA 3.0 i jednocześnie GNU FDL.

Udziela się zezwolenia na kopiowanie, rozpowszechnianie lub modyfikację tego dokumentu zgodnie z zasadami Licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Unported lub dowolnej późniejszej wersji licencji opublikowanej przez Creative Commons, która zawiera te same elementy co niniejsza licencja. Treść licencji dostępna jest pod adresem http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode.

Udziela się zezwolenia na kopiowanie, rozpowszechnianie lub modyfikację tego dokumentu zgodnie z zasadami Licencji wolnej dokumentacji GNU (niewersjonowanej, bez części nienaruszalnych oraz tekstów przedniej i tylnej okładki)

Spis treści

Wstęp

O podręczniku
- podstawowe informacje, o autorach, jak pomóc

O języku VHDL
- historia i zastosowanie języka VHDL

Czego potrzebujesz
- informacje o niezbędnych narzędziach

Podstawy VHDL

Składnia
- informacje o składni języka VHDL

Typy danych
- informacje o typach danych stosowanych w VHDL

Jednostki projektowe
- informacje o deklarowaniu i łączeni jednostek projektowych

Operacje na zmiennych
- informacje o operacjach logicznych, arytmetycznych i innych stosowanych w VHDL

Funkcje i procedury
- sposoby deklarowania funkcji

Najczęstsze błędy
- często popełniane błedy przy pisaniu kodu VHDL

Zaawansowany VHDL

Łańcuchy znakowe
- sposoby operaowanie łańcuchami znakowymi

Pliki
- operacje na plikach

Testowanie
- informacje o sposobie tworzenia Testbenchu

Syntezowalność
- informacje o tym, które fragment VHDL można podać syntezie

Dodatki

Przykłady kodu
- przykłady kodów

Biblioteka Std Logic
- najczęściej używana biblioteka

Licencja

O podręczniku

O czym mówi ten podręcznik?

Niniejszy podręcznik stanowi przewodnik dla początkujących projektantów po języku opisu sprzętu VHDL.

Co trzeba wiedzieć, żeby skorzystać z niniejszego podręcznika?

Ten podręcznik ma nauczyć podstaw języka, ale do jego zrozumienia wymagana jest znajomość podstawowych pojęć z zakresu układów cyfrowych, logiki cyfrowej oraz terminów komputerowych.

Czy mogę pomóc?

Oczywiście, że możesz. Mało tego, będziemy zadowoleni z każdej pomocy. Nie musisz pytać się nikogo o zgodę - jeśli chcesz, możesz zacząć już teraz. Prosimy jedynie o zapoznanie się ze stylem podręcznika, użytymi w nim szablonami i zachowanie układu rozdziałów. Propozycje zmiany spisu treści należy zgłaszać na Dyskusja:VHDL.

Jeśli znalazłeś jakiś błąd, a nie umiesz go poprawić, koniecznie powiadom o tym fakcie autorów tego podręcznika za pomocą strony dyskusji danego modułu książki. Dzięki temu przyczyniasz się do rozwoju tego podręcznika.

Konwencje przyjęte w tym podręczniku

Aby podręcznik był przyswajalny, radzimy stosować się do następujących zaleceń:

Język

Język używany w tym podręczniku musi być przede wszystkim przystępny i zrozumiały. Nie zapominaj o tym, że ten podręcznik może być czytany zarówno przez inżynierów, jak i przez osoby bez wykształcenia inżynierskiego.

Nawigacja

W celu maksymalnego uproszczenia nawigacji, stosujemy szablon {{Subst:Naw}}.

Wyróżnienia w tekście

Jeśli chcesz zwrócić czyjąś uwagę na ważną informację, użyj szablonu: {{Infobox}}, w przypadku ostrzeżenia użyj szablonu {{Uwaga}}.

Fragmenty kodu

Fragmenty kodu wstawiamy poprzez użycie znaczników:

<syntaxhighlight lang="vhdl">
</syntaxhighlight>

Przykłady użycia widać w rozdziale Przykłady kodu.

Autorzy

Istotny wkład w powstanie podręcznika mieli:

• Egon
• PanzerMaus

I pamiętaj: śmiało edytuj.

O języku VHDL

Chwilowo osobny opis języka znajduje się w siostrzanym projekcie: Wikipedii, pod tym adresem.

Czego potrzebujesz

Do podstawowej nauki języka potrzebny jest dowolny symulator języka VHDL. Żeby jednak w pełni opanować język potrzebna też jest jakaś płytka z układem PLD. Oprócz płytki wymagane jest też oprogramowanie i sprzęt potrzebnym do jej oprogramowania (zazwyczaj sprzedawane wraz z płytką, ponieważ każdy producent cechuje się własnymi zestawami oprogramowania).

Oprogramowanie

Pakiety kompleksowe

Posiadające kilka komponentów:

• FPGA Advantage firmy Mentor Graphics.
• Quartus II firmy Altera.

Symulatory

• ModelSim firmy Mentor Graphics.

Płyty PLD

Karty FPGA

Przykładowe karty FPGA do nauki VHDL:

• Spartan-3 firmy Xilinx.
• LatticeECP firmy Lattice Semiconductors
• UP2 firmy Altera.

Typy danych

W niniejszym rozdziale zostaną omówione podstawowe typy oraz atrybuty danych stosowanych w języku VHDL. Opisany także zostanie sposób deklarowania własnych typów.

Obiekty danych

Obiekt jest identyfikowalnym elementem języka VHDL, który posiada wartość określonego typu. Rozróżniamy trzy rodzaje obiektów: stałe, zmienne i sygnały. Sposób deklaracji i używania tych elementów jest praktycznie identyczny jak w innych językach.

Stałe

Stała jest takim obiektem, któremu przypisuje się wartość tylko raz - za pomocą inicjalizacji podczas deklarowania - i nie może być ona już później modyfikowana. Deklarowanie stałych wygląda następująco:

constant identyfikator_stałej : typ_stałej := wartość;

Stałe mogą być deklarowane w dowolnym obszarze deklaratywnym:

• pakietu
• interfejsu
• architektury

To w jakim obszarze jest deklarowana stała decyduje o jej widoczności, a więc możliwość jej stosowania.

Zmienne

Zmienna jest obiektem, którego wartość może być inicjowana i/lub modyfikowana zawsze po zadeklarowaniu. Deklarowanie zmiennych wygląda następująco:

variable identyfikator_zmiennej : typ_zmiennej;

lub

variable identyfikator_zmiennej : typ_zmiennej := wartość_początkowa;

W tym ostatnim przypadku, zmienna została zainicjowana wartością wartość_początkowa. Zmienne mogą być stosowane tylko w procesach i podprogramach. Ponadto można je deklarować tylko w obszarach deklaratywnych procesu, lub podprogramu.

Syntezowalność zmiennych nie jest dobrze zestandaryzowana. Sposób i zakres, jest różny w zależności od producenta oprogramowania syntezy.

Sygnały

Sygnały są używane do połączenia modułu z całością. Deklarowanie sygnałów wygląda następująco:

signal identyfikator_sygnału : typ_sygnału;

lub

signal identyfikator_sygnału : typ_sygnału rodzaj_sygnału;

Drugi sposób deklarowania sygnałów pozwala na określenie - poza typem - rodzaju sygnału. Rozróżniamy dwa rodzaje: register i bus, co zostanie omówione w dalszej części książki.

Sygnał inicjuje się podobnie jak stałą czy zmienną (używając ":=" pod koniec deklaracji), jednak wtedy jest on niesyntezowalny.

Sygnały mogą być deklarowane w obszarze deklaratywnym:

• interfejsu
• architektury

Sygnały a zmienne

Różnice między tymi obiektami danych będą omawiane w dalszych częściach książki, jednak już teraz należy zaznaczyć główną różnicę:

• sygnały są parami wartość i czasu w jakim sygnał posiada daną wartość,
• zmienne reprezentują wartości danych abstrakcyjnych.

Aliasy

Alias jest to zastępczy identyfikator określonego obiektu lub jego części. Deklaruje się go poprzez zapis:

alias identyfikator_aliasu : typ_aliasu(zakres_aliasu) is identyfikator_obiektu(zakres_obiektu);

Podawanie w deklaracji zakresów jest opcjonalne, jednak odnosi się jedynie do obiektów złożonych (np. tablic). Zakresy muszą być równe, tzn. jeśli alias ma wskazywać na jakiś zakres_obiektu, np. od 31 do 24 elementu, to zakres_aliasu musi być określony jako od 7 do 0 elementu. Tak więc, aliasy często są stosowane do łatwiejszego operowania na tablicach. Przykładowo, jeśli istnieje sygnał:

 signal szyna_adresowa : std_logic_vector(27 downto 0);

to można zadeklarować aliasy:

 alias bity_młodsze : std_logic_vector(13 downto 0) is szyna_adresowa(13 downto 0);
 alias bity_starsze : std_logic_vector(13 downto 0) is szyna_adresowa(27 downto 14);

po to by mieć łatwiejszy dostęp do części młodszej i starszej szyny_adresowej.

Pliki

Ze względu na charakter obsługi plików, zostanie ona omówiona w jednym z dalszych rozdziałów.

Typy danych

Język VHDL posiada kilka wbudowanych (tzw. predefiniowanych) typów, zarówno prostych, jak i złożonych. Dodatkowo istnieje kilka standardowych podtypów, czyli kolejnych typów definiowanych na bazie innych typów. Język ten posiada również możliwość definiowania typów użytkownika. W dalszej części tego rozdziału niezbędna może okazać się ogólna wiedza dotycząca definiowania typów i różnicy pomiędzy terminami deklaracja a definicja.

Otóż, jak zapewne już wiesz z sekcji Obiekty danych, każdy obiekt musi mieć określony typ m.in. po to, aby wiadomo było jakie wartości może on przyjmować. Różne języki programowania mogą posiadać różną, właściwą dla siebie składnię definiowania typów. W języku VHDL składnia ta - w uogólnieniu - wygląda tak:

type identyfikator_typu is właściwości;

Zależnie od potrzeb, właściwości mogą być wyrażone w różnych formach, np. jako zakres (range) lub w innych wymienionych w dalszej części rozdziału.

Na przykładzie typów danych, pomiędzy deklaracją a definicją rozróżniamy zasadnicze cechy:

• definicja określa jak wygląda dany typ: jakie może przyjmować wartości i w jakiej formie,
• deklaracja powiadamia kompilator, jakiego typu będziemy używać w odniesieniu do danego obiektu.

Typy całkowite

Typ całkowity jest typem liczb całkowitych. Jedynym standardowo predefiniowanym typem całkowitym jest typ integer. Zakres wartości dla tego typu jest zależny od implementacji, ale standard gwarantuje, iż jest to co najmniej zakres od -2³¹+1 do 2³¹-1, tj. od -2147483647 do +2147483647. Przykładowa definicja typu całkowitego:

 type bajt is range 0 to 255;

Przykładowa deklaracja zmiennej typu integer:

 variable zmienna : integer := 123456;

Dodatkowo istnieją dwa predefiniowane podtypy:

 subtype natural is integer range 0 to największa_możliwa;

oraz

 subtype positive is integer range 1 to największa_możliwa;

Typy rzeczywiste

Typ rzeczywisty odzwierciedla (na miarę możliwości) liczby rzeczywiste. Istnieje tylko jeden predefiniowany typ rzeczywisty - real. Zakres wartości dla tego typu jest zależny od implementacji, ale standard gwarantuje, iż jest to co najmniej zakres od -1E38 do +1E38. Precyzja nie jest zdefiniowana przez standard, ale na pewno nie jest mniejsza niż 6 cyfr dziesiętnych. Przykładowa definicja typu rzeczywistego:

 type szansa is range 0.0 to 1.0;

Przykładowa deklaracja zmiennej typu real:

 variable zmienna : real := 12.345;

Typy wyliczeniowe

Wyliczenie jest uporządkowanym zbiorem znaków i/lub identyfikatorów. Typ wyliczeniowy jest określany przez wartości jakie może przyjmować obiekt tegoż typu. Definiuje się go w następujący sposób:

 type identyfikator_typu is (wartość1, wartość2, ... , wartośćN);

Istnieje kilka predefiniowanych typów wyliczeniowych:

 type severity_level is (note, warning, error, failure);
 
 type boolean is (false, true);
 
 type bit is ('0', '1');
 
 type character is (
    NUL,     SOH,     STX,     ETX,     EOT,     ENQ,     ACK,     BEL,
    BS,      HT,      LF,      VT,      FF,      CR,      SO,      SI,
    DLE,     DC1,     DC2,     DC3,     DC4,     NAK,     SYN,     ETB,
    CAN,     EM,      SUB,     ESC,     FSP,     GSP,     RSP,     USP,
    ' ',     '!',     '"',     '#',     '$',     '%',     '&',     ''',
    '(',     ')',     '*',     '+',     ',',     '-',     '.',     '/',
    '0',     '1',     '2',     '3',     '4',     '5',     '6',     '7',
    '8',     '9',     ':',     ';',     '<',     '=',     '>',     '?',
    '@',     'A',     'B',     'C',     'D',     'E',     'F',     'G',
    'H',     'I',     'J',     'K',     'L',     'M',     'N',     'O',
    'P',     'Q',     'R',     'S',     'T',     'U',     'V',     'W',
    'X',     'Y',     'Z',     '[',     '\',     ']',     '^',     '_',
    '`',     'a',     'b',     'c',     'd',     'e',     'f',     'g',
    'h',     'i',     'j',     'k',     'l',     'm',     'n',     'o',
    'p',     'q',     'r',     's',     't',     'u',     'v',     'w',
    'x',     'y',     'z',     '{',     '|',     '}',     '~',     DEL
 );

Przykładowa deklaracja zmiennej typu wyliczeniowego:

 variable zmienna : boolean := false;

Typy fizykalne

Typ fizykalny jest typem liczbowym przeznaczonym do reprezentowania pewnych wartości fizycznych takich, jak na przykład ciężar, odległość, czas czy napięcie. Definicja takiego typu zawiera jednostkę podstawową i ewentualnie kilka dodatkowych jednostek wraz z czynnikiem używanym do konwersji pomiędzy nimi. Przykładowa definicja typu fizykalnego:

 type odległość is range 0 to 1E9
    units
       um;
       mm = 1000 um;
       cm = 10 mm;
       m = 1000 mm;
    end units;

Aby odnieść się do danej jednostki, wystarczy napisać ją zaraz za liczbą, np:

 10 mm      1000 m

Istnieje jeden jedyny predefiniowany typ fizykalny, ale za to niezwykle ważny - time. Używany jest on głównie do określenia opóźnień podczas symulacji. Jego definicja wygląda następująco:

 type time is range zależne_od_implementacji
    units
       fs;
       ps = 1000 fs;
       ns = 1000 ps;
       us = 1000 ns;
       ms = 1000 us;
       sec = 1000 ms;
       min = 60 sec;
       hr = 60 min;
    end units;

Przykładowa deklaracja typu fizykalnego:

 variable zmienna : time := 1 hr 30 min;

Typy tablicowe

Jako tablicę w języku VHDL rozumie się zbiór indeksowanych elementów, z których każdy jest tego samego typu. Tablice mogą być jednowymiarowe (z jednym indeksem) lub wielowymiarowe (z wieloma indeksami). Indeksy mogą być dowolnego podtypu całkowitego i/lub mogą być ograniczone w definicji typu tablicowego. Przykładowe definicje takiego typu:

 type słowo is array (31 downto 0) of bit;

oznacza typ tablicowy słowo o 32. elementach typu bit indeksowanych w odwrotnym porządku, a definicja:

 type bank is array (byte range 1 to 170, 0 to 5) of real;

oznacza typ tablicowy bank o 170. elementach (od 1 do 170), z czego każdy zawiera 6. elementów (od 0 do 5) typu rzeczywistego. Zatem tablice tego typu będą wielowymiarowe (dokładnie dwuwymiarowe).

Dodatkowo istnieje możliwość definiowania tablic o nieokreślonym rozmiarze. Służą do tego puste nawiasy kątowe <>. W rzeczywistości rozmiar ten ogranicza jedynie pojemność typu całkowitego i trzeba go podać już przy deklaracji obiektu takiego typu. Na przykład:

 type mój_wektor is array (integer range <>) of character;
 variable zmienna : mój_wektor(1 to 9) := ('h', 'o', 'l', 'l', 'y', 'w', 'o', 'o', 'd');

W linii pierwszej definiuje się typ mój_wektor. W linii drugiej deklarowana jest zmienna o typie mój_wektor indeksowanym od 1 do 9. Zmienna ta jest inicjowana kolejnymi wymienionymi znakami: pierwszy podany znak ('h') zostanie przypisany pod najniższym indeksem (czyli w tej tablicy będzie to 1), drugi ('o') pod następnym indeksem (2), trzeci ('l') pod jeszcze następnym (3) itd. Tak więc, obiekt zmienna traktowany jako ciąg znaków posiadał będzie wartość hollywood. W wypadku tablic można również przypisywać (zamiast inicjować) wartości wielu indeksom naraz. Innym sposobem nadania odpowiednich wartości jest asocjacja pozycyjna:

 zmienna := (6 => 'w', 7 => 'o', 8 => 'o', 9 => 'd', 1 => 'h', 2 => 'o', 3 => 'l', 4 => 'l', 5 => 'y');

Tą metodą podawane wartości mogą być wymienione w dowolnym porządku, a ich indeks jest określony przez pozycję asocjacji. W wyniku zmienna przechowywać będzie ciąg (tablicę) znaków hollywood. Poza asocjacją pozycyjną stosować można również asocjację nazewniczą. Istnieje specjalne słowo kluczowe przeznaczone do takich zastosowań - others. Pozwala ono na przypisanie nie wymienionym pozycjom konkretnej wartości. Identyczny do powyższego wynik uzyskać można zatem tak:

 zmienna := ('h', 3 => 'l', 4 => 'l', 5 => 'y', 6 => 'w', 9 => 'd', others => 'o');

Istnieją dwa predefiniowane typy tablicowe:

 type string is array (positive range <>) of character;
 type bit_vector is array (natural range <>) of bit;

Typy rekordów

Rekord jest zbiorem identyfikowalnych elementów, z których każdy może być innego typu. Typ rekordu definiuje się następująco:

 type mój_rekord is
    record
       czas : time;
       koszty : integer;
       rodzaj : integer range 0 to 9;
    end record;

Przykładowa deklaracja obiektu tego typu:

 variable obiekt_rek : mój_rekord;

Aby przykładowo odczytać wartość pola koszty tego rekordu, należy odwołać się do niego po jego nazwie, czyli:

 inna_zmienna := obiekt_rek.koszty;

Teraz inna_zmienna przyjmie wartość pola koszty tego rekordu. Inne aspekty używania rekordów wyglądają analogicznie.

Podobnie jak dla tablic, polom rekordów można przypisywać różne wartości naraz (patrz Tablice) włączając w to obydwie odmiany asocjacji - pozycyjną i nazewniczą.

Podtypy

Podtypy są niczym innym jak typem bazującym na którymś z podstawowych typów. Ich ideą jest m.in. ograniczenie zakresu typu wyjściowego. Ich definicja wygląda podobnie, jak definicja zwykłych typów. Zasadniczą różnicą jest jednak stosowanie słowa kluczowego subtype zamiast type, na przykład:

 subtype licznik is integer range 0 to 200;
 subtype cyfry is character range'0' to '9';

Podtypy mogą być również wykorzystywane do definiowania odmian typów tablicowych, które wyjściowo miały nieokreślony rozmiar:

 subtype nazwa is string(1 to 8);
 subtype słowo is bit_vector(31 downto 0);

Biblioteki standardowe

Jednostki projektowe

Projekty urządzeń opisywanych w języku VHDL składają się z tzn. modułów, komponentów, lub ogólnie jednostek projektowych. W dalszej części artykułu będzie stosowany zwrot komponent.

Hierarchizacja projektu

Każde urządzenie, samo w sobie jest traktowane jako jeden komponent (jako jedna całość). Jednocześnie urządzenie główne może być zbudowane z pomniejszych komponentów (czyli prostszych urządzeń spełniających konkretne funkcje), które dopiero po połączeniu tworzą jedną całość.

Ponieważ, każdy z komponentów sam w sobie często traktowany jest jako osobny projekt, prowadzi to do zależności pomiędzy poszczególnymi komponentami, którą dalej nazywać będziemy hierarchią projektu.

Opis komponentu

Opis każdego komponentu składa się z dwóch części:

• opisu interfejsu - czyli deklaracji rodzajów portów oraz ich typów
• opis architektury - czyli opis tego jak zbudowany jest komponent (może istnieć wiele architektur dla jednego interfejsu)

Taka budowa opisów komponentów podyktowana jest tym, że architekturę komponentu o ściśle określonym interfejsie często można opisać na różny, ale równoważny pod względem funkcjonalnym, sposób.

Deklaracja interfejsu komponentu

Przykładowa deklaracja interfejsu komponentu o nazwie nazwa_komponentu wygląda następująco:

 entity nazwa_komponentu is
   [ generic deklaracje_generyczne ]
   port ( nazwa_portów1 : rodzaj_portów typ_portów;
          nazwa_portów2 : rodzaj_portów typ_portów
              );
 end nazwa_komponentu;

Rodzaje portów

Każdy z portów ma przypisany do siebie typ, określający jaki typ sygnału przez niego przepływa, oraz rodzaj. Rodzaj sygnału określa w którą stronę może następować przepływ sygnału należącego do interfejsu komponentu. Wyróżnia się następujące rodzaje portów:

• in - określa port wejściowy komponentu
• out - określa port wyjściowy komponentu
• inout - określa port, który może pełnić role portu wyjściowego, albo wejściowego (ale nie obu naraz)
• buffer - określa port, który może pełnić role portu wyjściowego, lub wejściowego (a więc i obu naraz)

Deklaracje generyczne (opcjonalne)

Deklaracja generic jest opcjonalna i określa lokalne stałe użyte do opisu czasu i rozmiaru wewnątrz komponentu. Generic może mieć wartość domyślną.

generic ( nazwa_stalej1 : typ_stalej [ := wartosc ];
          nazwa_stalej2 : typ_stalej [ := wartosc ];
           );

Deklaracja architektury komponentu

Przykładowa deklaracja architektury komponentu o nazwie nazwa_komponentu wygląda następująco:

architecture nazwa_architektury of nazwa_komponentu is
  [cześć deklaratywna]
  begin
  [cześć opisowa]
end nazwa_architektury;

Opis Architektury

Opis architektury składa się z dwóch zasadniczych części:

• deklaratywnej
• opisowej

Cześć deklaratywna

Znajduje się miedzy słowami kluczowymi is oraz begin. W jej obrębie można zawrzeć następujące informacje:

Deklaracja sygnału wewnętrznego

signal nazwa_sygnałów : typ_sygnałów ;

Przykładowo:

 signal sygnał_wewnętrzny1, sygnał_wewnętrzny2 : std_logic;
 signal sygnał_wewnętrzny3 : std_logic_vector(3 downto 0);

Deklaracja podkomponentu

component nazwa_podkomponentu
  port ( nazwa_portów1 : rodzaj_portów typ_portów;
         nazwa_portów2 : rodzaj_portów typ_portów
             );
end component nazwa_podkomponentu;

Przykłady kodu

Przykładami kodu wykorzystującymi informacje zawarte w tym rozdziale są:

• Bramka NAND - prosta deklaracja interfejsu wraz z opisem architektury
• Bramka XOR - komponent zbudowany z bramek NAND i posiadający sygnały wewnętrzne

Operacje na zmiennych

W tym rozdziale zostaną omówione zagadnienia związane z operacjami stosowanymi w VHDL.

Operacje przypisywania

Jak wspomniano w rozdziale Typy danych, w VHDL istnieje rozróżnienie między sygnałem, a zmienną. Ma to odzwierciedlenie w sposobie przypisywania wartości do nich.

Przypisywanie do sygnałów

W celu przypisania wartości do sygnału stosuje się operator <=, oraz zapis:

sygnał <= wartość;

Przykłady:

 sygnał1 <= '0';
 sygnał2 <= "001";

Przypisywanie do zmiennych

W celu przypisania wartości do zmiennej stosuje się operator :=, oraz zapis:

zmienna := wartość;

Przykłady:

 zmienna1 := '0';
 zmienna2 := "001";

Sygnały, a zmienne

Choć zmienne i sygnały różnią się miedzy sobą, można dokonywać miedzy nimi kopiowania wartości, jeśli mają zgodne typy. Ważne jest jednak, by zastosować odpowiedni operator. Jego wybór uzależniony jest od tego do czego przypisywana jest wartość. Przykładowo:

 sygnał1 <= zmienna1;
 zmienna2 := sygnał2;

Kopiowanie części wektora

Przy stosowaniu operatora przypisania do wektora należy zachować odpowiednią wielkość wektorów po obu stronach operatora. Istnieje jednak czasem potrzeba "wykrojenia" z wektora jego części, by móc ją przypisać do innego wektora. Czyni się to po przez stosowanie słów kluczowych to i downto (stosowanych już w rozdziale Typy danych). Przykładowo, jeśli sygnał1 ma wartość "011", to zapis:

 sygnał2 <= sygnał1 (2 downto 1);

spowoduje przypisanie do sygnał2 wartości "01".

Konkatenacja

Jak wspomniano w rozdziale Typy danych, w VHDL można deklarować zarówno wektory jak i skalary. Istnieje jednak możliwość przypisania wartości z wektora do skalaru, jak i na odwrót.

Zapis:

skalar <= wektor(indeks);

spowoduje przypisanie do sygnału skalar wartości z sygnału wektor o indeksie indeks. Przykładowo, jeśli sygnał2 ma wartość 101, to zapis:

 sygnał1 <= sygnał2(1);

spowoduje przypisanie do sygnał1 wartości 0 (jak więc widać jest to szczególny przypadek kopiowania części wektora).

Można też z kilku skalarów utworzyć nową wartość wektora, po przez zapis:

 wektor <= skalar1 & skalar2 & skalar3;

Przykładowo, jeśli skalar1 ma wartość 1, a skalar2 i skalar3 mają wartości 0, to powyższy zapis spowoduje przypisanie wartości 100 do zmiennej wektor.

Ta druga operacja (tworzenie wektora ze skalarów) ma nazwę konkatenacji, zaś znak & nazywany jest operatorem konkatenacji. Istnieje możliwość konkatenacji nie tylko skalarów, ale i wektorów, oraz wektorów i skalarów. Przykładowo (pozostając przy wartościach z poprzednich przykładów), zapis:

 sygnał4 <= skalar2 & sygnał2(2 downto 1) & skalar1;

spowoduje przypisanie do sygnał4 wartości 0101.

Operacje logiczne

Podstawowe informacje

W VHDLu można dokonać podstawowych operacji logicznych przy użyciu następujących słów kluczowych:

• and
• or
• not
• xor

Przykład operacji logicznych

 c <= a and b;

Zagnieżdżanie operacji logicznych

Do zagnieżdżania operacji logicznych służą nawiasy. Przykładowo:

 c <= not (a and b);

da w efekcie operację nand.

Operacje arytmetyczne

Język VHDL sam w sobie nie posiada obsługi operacji arytmetycznych. Jednak można to "obejść" po przez stosowanie biblioteki standardowej napisanej przez IEEE. Potrzebny pakiet nazywa się IEEE.numeric_std, a spis jego dokumentacja jest dostępna w Internecie[1].

Operacje warunkowe

IF

IF warunek THEN
   instrukcje;
END IF;

IF warunek1 THEN
   instrukcje;
ELSIF warunek2 THEN
   instrukcje;
END IF;

CASE

CASE wyrazenie IS
   WHEN wartosc1 =>
      instrukcje;
   WHEN wartosc2 =>
      instrukcje;
END CASE;

CASE wyrazenie IS
   WHEN wartosc1 =>
      instrukcje;
   WHEN wartosc2 =>
      instrukcje;
   WHEN OTHERS =>
      instrukcje;
END CASE;

Funkcje i procedury

VHDL/Funkcje i procedury

Najczęstrze błędy

VHDL/Najczęstrze błędy

Łańcuchy znakowe

VHDL/Łańcuchy znakowe

Pliki

VHDL/Pliki

Testowanie

VHDL/Testowanie

Przykłady kodu

Przykłady kodu pokazujące wykorzystanie VHDL.

Bramka NAND

Zawartość pliku opisującego dwu wejściową bramkę NAND:

 library ieee;
 use ieee.std_logic_1164.all;

 entity nand2 is
   port ( 
          a,b : in std_logic;
          c : out std_logic
          );
 end nand2;
 
 architecture logic of nand2 is
   begin
      c <= not (a and b);
 end logic;

Bramka XOR

Zawartość pliku opisującego dwu wejściową bramkę XOR:

 library ieee;
 use ieee.std_logic_1164.all;
 
 entity xor2 is
   port ( 
          a,b : in std_logic;
          c : out std_logic
          );
 end xor2;
 
 architecture behavioral of nand2 is
   begin
      c <= not (a and b);
 end behavioral; 
 
 architecture logic of xor2 is
 
 component nand2
   port ( 
          a, b : in std_logic;
          c : out std_logic
          );
 end component nand2;
 
 signal wew1,wew2,wew3 : std_logic;
 
   begin
      
      bramka1 : nand2 port map (a=>a, b=>b, c=>wew1 );
      bramka2 : nand2 port map (a=>a, b=>wew1, c=>wew2 );
      bramka3 : nand2 port map (a=>wew1, b=>b, c=>wew3 );
      bramka4 : nand2 port map (a=>wew2, b=>wew3, c=>c );
 
 end logic;

Przerzutnik typu D

Zawartość pliku opisującego gotowy do symulacji i syntezy logicznej, przerzutnik typu D z Resetowaniem synchronicznym.

 library IEEE;                  -- dołączenie standardowej biblioteki IEEE
 use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;   -- dołączenie pakietu 'STD_LOGIC_1164' z biblioteki IEEE
                                -- definiującego popularne stany logiczne
 entity dffr is                 -- opis interfejsu przerzutnika (połączeń z otoczeniem)
   port(
         CLK   : in  STD_LOGIC;   -- wejście zegarowe
         RESET : in  STD_LOGIC;   -- wejście kasowania
         DIN   : in  STD_LOGIC;   -- wejście danych
         DOUT  : out STD_LOGIC    -- wyjście danych
       );
 end dffr;
 
 architecture behavior of dffr is   -- opis wnętrza przerzutnika (w tym przypadku 
 begin                              --  jest to opis behawioralny)
 
  dffar: process (CLK, RESET)       -- proces z listą czułości (sensitivity list)
    begin
        if rising_edge(CLK) then    -- wykrywanie narastającego zbocza zegara
           if RESET='1' then        -- kasowanie stanem wysokim wejścia RESET
             DOUT <= '0';           -- przypisanie stałej to sygnału wyjściowego
           else 
             DOUT <= DIN;           -- przypisanie stanu wejścia do sygnału wyjściowego
           end if;
        end if;
    end process;
 
 end behavior;

Biblioteka Std_Logic

VHDL/Biblioteka Std Logic

Licencja

Version 1.2, November 2002

Copyright (C) 2000,2001,2002  Free Software Foundation, Inc.
51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
Everyone is permitted to copy and distribute verbatim copies
of this license document, but changing it is not allowed.

0. PREAMBLE

The purpose of this License is to make a manual, textbook, or other functional and useful document "free" in the sense of freedom: to assure everyone the effective freedom to copy and redistribute it, with or without modifying it, either commercially or noncommercially. Secondarily, this License preserves for the author and publisher a way to get credit for their work, while not being considered responsible for modifications made by others.

This License is a kind of "copyleft", which means that derivative works of the document must themselves be free in the same sense. It complements the GNU General Public License, which is a copyleft license designed for free software.

We have designed this License in order to use it for manuals for free software, because free software needs free documentation: a free program should come with manuals providing the same freedoms that the software does. But this License is not limited to software manuals; it can be used for any textual work, regardless of subject matter or whether it is published as a printed book. We recommend this License principally for works whose purpose is instruction or reference.

1. APPLICABILITY AND DEFINITIONS

This License applies to any manual or other work, in any medium, that contains a notice placed by the copyright holder saying it can be distributed under the terms of this License. Such a notice grants a world-wide, royalty-free license, unlimited in duration, to use that work under the conditions stated herein. The "Document", below, refers to any such manual or work. Any member of the public is a licensee, and is addressed as "you". You accept the license if you copy, modify or distribute the work in a way requiring permission under copyright law.

A "Modified Version" of the Document means any work containing the Document or a portion of it, either copied verbatim, or with modifications and/or translated into another language.

A "Secondary Section" is a named appendix or a front-matter section of the Document that deals exclusively with the relationship of the publishers or authors of the Document to the Document's overall subject (or to related matters) and contains nothing that could fall directly within that overall subject. (Thus, if the Document is in part a textbook of mathematics, a Secondary Section may not explain any mathematics.) The relationship could be a matter of historical connection with the subject or with related matters, or of legal, commercial, philosophical, ethical or political position regarding them.

The "Invariant Sections" are certain Secondary Sections whose titles are designated, as being those of Invariant Sections, in the notice that says that the Document is released under this License. If a section does not fit the above definition of Secondary then it is not allowed to be designated as Invariant. The Document may contain zero Invariant Sections. If the Document does not identify any Invariant Sections then there are none.

The "Cover Texts" are certain short passages of text that are listed, as Front-Cover Texts or Back-Cover Texts, in the notice that says that the Document is released under this License. A Front-Cover Text may be at most 5 words, and a Back-Cover Text may be at most 25 words.

A "Transparent" copy of the Document means a machine-readable copy, represented in a format whose specification is available to the general public, that is suitable for revising the document straightforwardly with generic text editors or (for images composed of pixels) generic paint programs or (for drawings) some widely available drawing editor, and that is suitable for input to text formatters or for automatic translation to a variety of formats suitable for input to text formatters. A copy made in an otherwise Transparent file format whose markup, or absence of markup, has been arranged to thwart or discourage subsequent modification by readers is not Transparent. An image format is not Transparent if used for any substantial amount of text. A copy that is not "Transparent" is called "Opaque".

Examples of suitable formats for Transparent copies include plain ASCII without markup, Texinfo input format, LaTeX input format, SGML or XML using a publicly available DTD, and standard-conforming simple HTML, PostScript or PDF designed for human modification. Examples of transparent image formats include PNG, XCF and JPG. Opaque formats include proprietary formats that can be read and edited only by proprietary word processors, SGML or XML for which the DTD and/or processing tools are not generally available, and the machine-generated HTML, PostScript or PDF produced by some word processors for output purposes only.

The "Title Page" means, for a printed book, the title page itself, plus such following pages as are needed to hold, legibly, the material this License requires to appear in the title page. For works in formats which do not have any title page as such, "Title Page" means the text near the most prominent appearance of the work's title, preceding the beginning of the body of the text.

A section "Entitled XYZ" means a named subunit of the Document whose title either is precisely XYZ or contains XYZ in parentheses following text that translates XYZ in another language. (Here XYZ stands for a specific section name mentioned below, such as "Acknowledgements", "Dedications", "Endorsements", or "History".) To "Preserve the Title" of such a section when you modify the Document means that it remains a section "Entitled XYZ" according to this definition.

The Document may include Warranty Disclaimers next to the notice which states that this License applies to the Document. These Warranty Disclaimers are considered to be included by reference in this License, but only as regards disclaiming warranties: any other implication that these Warranty Disclaimers may have is void and has no effect on the meaning of this License.

2. VERBATIM COPYING

You may copy and distribute the Document in any medium, either commercially or noncommercially, provided that this License, the copyright notices, and the license notice saying this License applies to the Document are reproduced in all copies, and that you add no other conditions whatsoever to those of this License. You may not use technical measures to obstruct or control the reading or further copying of the copies you make or distribute. However, you may accept compensation in exchange for copies. If you distribute a large enough number of copies you must also follow the conditions in section 3.

You may also lend copies, under the same conditions stated above, and you may publicly display copies.

3. COPYING IN QUANTITY

If you publish printed copies (or copies in media that commonly have printed covers) of the Document, numbering more than 100, and the Document's license notice requires Cover Texts, you must enclose the copies in covers that carry, clearly and legibly, all these Cover Texts: Front-Cover Texts on the front cover, and Back-Cover Texts on the back cover. Both covers must also clearly and legibly identify you as the publisher of these copies. The front cover must present the full title with all words of the title equally prominent and visible. You may add other material on the covers in addition. Copying with changes limited to the covers, as long as they preserve the title of the Document and satisfy these conditions, can be treated as verbatim copying in other respects.

If the required texts for either cover are too voluminous to fit legibly, you should put the first ones listed (as many as fit reasonably) on the actual cover, and continue the rest onto adjacent pages.

If you publish or distribute Opaque copies of the Document numbering more than 100, you must either include a machine-readable Transparent copy along with each Opaque copy, or state in or with each Opaque copy a computer-network location from which the general network-using public has access to download using public-standard network protocols a complete Transparent copy of the Document, free of added material. If you use the latter option, you must take reasonably prudent steps, when you begin distribution of Opaque copies in quantity, to ensure that this Transparent copy will remain thus accessible at the stated location until at least one year after the last time you distribute an Opaque copy (directly or through your agents or retailers) of that edition to the public.

It is requested, but not required, that you contact the authors of the Document well before redistributing any large number of copies, to give them a chance to provide you with an updated version of the Document.

4. MODIFICATIONS

You may copy and distribute a Modified Version of the Document under the conditions of sections 2 and 3 above, provided that you release the Modified Version under precisely this License, with the Modified Version filling the role of the Document, thus licensing distribution and modification of the Modified Version to whoever possesses a copy of it. In addition, you must do these things in the Modified Version:

• A. Use in the Title Page (and on the covers, if any) a title distinct from that of the Document, and from those of previous versions (which should, if there were any, be listed in the History section of the Document). You may use the same title as a previous version if the original publisher of that version gives permission.
• B. List on the Title Page, as authors, one or more persons or entities responsible for authorship of the modifications in the Modified Version, together with at least five of the principal authors of the Document (all of its principal authors, if it has fewer than five), unless they release you from this requirement.
• C. State on the Title page the name of the publisher of the Modified Version, as the publisher.
• D. Preserve all the copyright notices of the Document.
• E. Add an appropriate copyright notice for your modifications adjacent to the other copyright notices.
• F. Include, immediately after the copyright notices, a license notice giving the public permission to use the Modified Version under the terms of this License, in the form shown in the Addendum below.
• G. Preserve in that license notice the full lists of Invariant Sections and required Cover Texts given in the Document's license notice.
• H. Include an unaltered copy of this License.
• I. Preserve the section Entitled "History", Preserve its Title, and add to it an item stating at least the title, year, new authors, and publisher of the Modified Version as given on the Title Page. If there is no section Entitled "History" in the Document, create one stating the title, year, authors, and publisher of the Document as given on its Title Page, then add an item describing the Modified Version as stated in the previous sentence.
• J. Preserve the network location, if any, given in the Document for public access to a Transparent copy of the Document, and likewise the network locations given in the Document for previous versions it was based on. These may be placed in the "History" section. You may omit a network location for a work that was published at least four years before the Document itself, or if the original publisher of the version it refers to gives permission.
• K. For any section Entitled "Acknowledgements" or "Dedications", Preserve the Title of the section, and preserve in the section all the substance and tone of each of the contributor acknowledgements and/or dedications given therein.
• L. Preserve all the Invariant Sections of the Document, unaltered in their text and in their titles. Section numbers or the equivalent are not considered part of the section titles.
• M. Delete any section Entitled "Endorsements". Such a section may not be included in the Modified Version.
• N. Do not retitle any existing section to be Entitled "Endorsements" or to conflict in title with any Invariant Section.
• O. Preserve any Warranty Disclaimers.

If the Modified Version includes new front-matter sections or appendices that qualify as Secondary Sections and contain no material copied from the Document, you may at your option designate some or all of these sections as invariant. To do this, add their titles to the list of Invariant Sections in the Modified Version's license notice. These titles must be distinct from any other section titles.

You may add a section Entitled "Endorsements", provided it contains nothing but endorsements of your Modified Version by various parties--for example, statements of peer review or that the text has been approved by an organization as the authoritative definition of a standard.

You may add a passage of up to five words as a Front-Cover Text, and a passage of up to 25 words as a Back-Cover Text, to the end of the list of Cover Texts in the Modified Version. Only one passage of Front-Cover Text and one of Back-Cover Text may be added by (or through arrangements made by) any one entity. If the Document already includes a cover text for the same cover, previously added by you or by arrangement made by the same entity you are acting on behalf of, you may not add another; but you may replace the old one, on explicit permission from the previous publisher that added the old one.

The author(s) and publisher(s) of the Document do not by this License give permission to use their names for publicity for or to assert or imply endorsement of any Modified Version.

5. COMBINING DOCUMENTS

You may combine the Document with other documents released under this License, under the terms defined in section 4 above for modified versions, provided that you include in the combination all of the Invariant Sections of all of the original documents, unmodified, and list them all as Invariant Sections of your combined work in its license notice, and that you preserve all their Warranty Disclaimers.

The combined work need only contain one copy of this License, and multiple identical Invariant Sections may be replaced with a single copy. If there are multiple Invariant Sections with the same name but different contents, make the title of each such section unique by adding at the end of it, in parentheses, the name of the original author or publisher of that section if known, or else a unique number. Make the same adjustment to the section titles in the list of Invariant Sections in the license notice of the combined work.

In the combination, you must combine any sections Entitled "History" in the various original documents, forming one section Entitled "History"; likewise combine any sections Entitled "Acknowledgements", and any sections Entitled "Dedications". You must delete all sections Entitled "Endorsements."

6. COLLECTIONS OF DOCUMENTS

You may make a collection consisting of the Document and other documents released under this License, and replace the individual copies of this License in the various documents with a single copy that is included in the collection, provided that you follow the rules of this License for verbatim copying of each of the documents in all other respects.

You may extract a single document from such a collection, and distribute it individually under this License, provided you insert a copy of this License into the extracted document, and follow this License in all other respects regarding verbatim copying of that document.

7. AGGREGATION WITH INDEPENDENT WORKS

A compilation of the Document or its derivatives with other separate and independent documents or works, in or on a volume of a storage or distribution medium, is called an "aggregate" if the copyright resulting from the compilation is not used to limit the legal rights of the compilation's users beyond what the individual works permit. When the Document is included in an aggregate, this License does not apply to the other works in the aggregate which are not themselves derivative works of the Document.

If the Cover Text requirement of section 3 is applicable to these copies of the Document, then if the Document is less than one half of the entire aggregate, the Document's Cover Texts may be placed on covers that bracket the Document within the aggregate, or the electronic equivalent of covers if the Document is in electronic form. Otherwise they must appear on printed covers that bracket the whole aggregate.

8. TRANSLATION

Translation is considered a kind of modification, so you may distribute translations of the Document under the terms of section 4. Replacing Invariant Sections with translations requires special permission from their copyright holders, but you may include translations of some or all Invariant Sections in addition to the original versions of these Invariant Sections. You may include a translation of this License, and all the license notices in the Document, and any Warranty Disclaimers, provided that you also include the original English version of this License and the original versions of those notices and disclaimers. In case of a disagreement between the translation and the original version of this License or a notice or disclaimer, the original version will prevail.

If a section in the Document is Entitled "Acknowledgements", "Dedications", or "History", the requirement (section 4) to Preserve its Title (section 1) will typically require changing the actual title.

9. TERMINATION

You may not copy, modify, sublicense, or distribute the Document except as expressly provided for under this License. Any other attempt to copy, modify, sublicense or distribute the Document is void, and will automatically terminate your rights under this License. However, parties who have received copies, or rights, from you under this License will not have their licenses terminated so long as such parties remain in full compliance.

10. FUTURE REVISIONS OF THIS LICENSE

The Free Software Foundation may publish new, revised versions of the GNU Free Documentation License from time to time. Such new versions will be similar in spirit to the present version, but may differ in detail to address new problems or concerns. See http://www.gnu.org/copyleft/.

Each version of the License is given a distinguishing version number. If the Document specifies that a particular numbered version of this License "or any later version" applies to it, you have the option of following the terms and conditions either of that specified version or of any later version that has been published (not as a draft) by the Free Software Foundation. If the Document does not specify a version number of this License, you may choose any version ever published (not as a draft) by the Free Software Foundation.

How to use this License for your documents

To use this License in a document you have written, include a copy of the License in the document and put the following copyright and license notices just after the title page:

Copyright (c)  YEAR  YOUR NAME.
Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2
or any later version published by the Free Software Foundation;
with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts.
A copy of the license is included in the section entitled "GNU
Free Documentation License".

If you have Invariant Sections, Front-Cover Texts and Back-Cover Texts, replace the "with...Texts." line with this:

with the Invariant Sections being LIST THEIR TITLES, with the
Front-Cover Texts being LIST, and with the Back-Cover Texts being LIST.

If you have Invariant Sections without Cover Texts, or some other combination of the three, merge those two alternatives to suit the situation.

If your document contains nontrivial examples of program code, we recommend releasing these examples in parallel under your choice of free software license, such as the GNU General Public License, to permit their use in free software.