利用VHDL語言的用戶庫實現(xiàn)代碼重用

摘 要：庫文件是VHDL（Very High Speed Integrated Circuits）語言中實現(xiàn)高效代碼分割、代碼共享及代碼重用的一種重要方法。本文介紹了庫的基本結(jié)構(gòu)，及其的基本構(gòu)件單元元件、函數(shù)、過程的建立和調(diào)用的語法結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設計及代碼重用。

【關鍵詞】VHDL 可編程邏輯器件 代碼復用 用戶庫

1 引言

隨著可編程邏輯器件技術的發(fā)展，芯片的性能越來越強、規(guī)模越來越大、開發(fā)的周期越來越長，使得器件應用正面臨一系列新的問題：設計質(zhì)量難以控制，設計成本也越來越高。IP（Intelligence Property）技術解決了當今芯片設計業(yè)所面臨的難題。設計者可以重復使用已經(jīng)設計并經(jīng)過驗證的IP核，將精力集中于系統(tǒng)頂層及關鍵功能模塊的設計上，從而提高產(chǎn)品整體性能和個性化特性，加快了設計效率。

如何才能提高IP核的重復使用率，使設計資源更好地集中起來加以利用，是可編程邏輯器件應用面臨的另一個問題。在VHDL（VHSIC Hardware Description Language）語言中，庫（LIBRARY）文件很好地解決了這個問題。庫文件是專門用于存放預先編譯好的程序包（PACKAGE）和數(shù)據(jù)集合體，這些設計單元可用作其他VHDL描述的資源。用戶編寫的設計單元既可以訪問多個設計庫，又可以加入到設計庫中，被其他單元所訪問。此外，庫的使用能夠?qū)崿F(xiàn)層次化設計和功能模塊化設計方法，有利于使復雜設計具有更清晰的結(jié)構(gòu)。

2 庫組成

在VHDL中，常用的庫有IEEE、STD、WORK、用戶庫等。庫文件常用的語句為元件（COMPONENT）和子程序（過程和函數(shù)），為了使程序包能夠被編譯，元件和子程序必須被添加到被稱為包集合的程序包中。用戶庫是用戶定義庫的簡稱，是由用戶自己創(chuàng)建并定義的庫。設計者可以把自己開發(fā)的非標準包集合和實體等匯集成在一起定義成一個庫，作為對VHDL標準庫的補充。用戶將需要重復使用的代碼以元件和子程序的形式放到包集合中，編譯到目標庫中，生成用戶庫，供其它設計單元調(diào)用。在設計中要使用某個程序包中的內(nèi)容時，用USE語句即可打開該程序包。

3 庫構(gòu)件說明

3.1 包集合

在用戶庫中，包集合放置的是用戶自己定義的元件、函數(shù)、過程。包集合包括包頭和包體兩部分。包頭用來聲明包中的類型、元件和子程序；而包體則用來存放說明中的元件源代碼和子程序。程序包聲明單元的語法格式為：

PACKAGE 程序包名 IS

說明語句

END [程序包名]；

其中說明語句為：USE語句、類型定義、常量定義、元件聲明、子程序聲明及信號聲明等。程序包體單元的的語法格式為：

PACKAGE BODY程序包名 IS

說明語句

END [程序包名]；

3.2 元件

用戶庫通過元件定義的方式，將一些設計好的電路單元納入，其他設計體則通過元件實例化的方法調(diào)用這些元件，使得元件與其他設計實體中的端口相連接，從而為當前設計實體引入低一級的設計層次設計。

3.2.1 元件定義

元件定義語句放在包集合的包頭中，指出包集合所包含的具體元件，元件源代碼可以獨立編譯，不需要納入包集合中。元器件定義語句的語法格式為：

COMPONENT元件名IS

GENERIC（常量、參數(shù)列表）；

PORT（元件端口列表）；

END COMPONET；

其中，常量、參數(shù)列表與元件源代碼實體中的GENERIC部分相同；元件端口列表，與元件源代碼實體中的PORT部分相同。

3.2.2 元件調(diào)用

元件調(diào)用稱為元件實例化，在元件實例化過程中有位置映射和名稱映射兩種方法可以實現(xiàn)。

位置映射中參數(shù)、端口信號名稱在順序、端口狀態(tài)和數(shù)據(jù)類型上必須和元件源代碼保持一致，各個參數(shù)、端口意義取決于它的位置。位置映射元件實例化語句的語法格式為：

COMPONENT元件名（

GENERIC MAP （常量、參數(shù)列表）

PORTMAP（元件端口列表））；

名稱映射用符號“=>”連接元件參數(shù)、端口和結(jié)構(gòu)體之間的參數(shù)、端口。名稱映射元件實例化語句的語法格式為：

COMPONENT元件名（

GENERICMAP（元件源程序常量列表=>常量值）

元件源程序參數(shù)列表=>參數(shù)量值）

PORTMAP（元件端口列表=>信號名稱））；

其中，左邊列出元件源代碼中參數(shù)、端口名稱，右邊列出調(diào)用代碼中對應的參數(shù)值、端口信號名稱。左右兩邊的數(shù)值、信號名稱可以不相同，語句中位置順序可以任意。

3.3 子程序

VHDL中的子程序有過程（PROCEDURE）及函數(shù)（FUNCTION）兩類，主程序和子程序之間通過端口參數(shù)列表位置關聯(lián)方式進行數(shù)據(jù)傳送，子程序可以被多次調(diào)用完成重復性的任務。子程序包含子程序聲明和主體兩部分，子程序聲明必須要在包頭中，子程序主體則放在包體中。

3.3.1 函數(shù)

函數(shù)通常用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、邏輯運算、算術運算類型的代碼共享和重用，即輸入若干參數(shù)，通過函數(shù)運算求值，最后直接返回一個值。函數(shù)應用分為建立和調(diào)用兩個過程。

（1）函數(shù)建立。函數(shù)分為函數(shù)聲明和函數(shù)主體體，函數(shù)聲明是包集合與函數(shù)的接口界面，放在包集合的包頭部分，而函數(shù)主體應放在包集合的包體內(nèi)。函數(shù)聲明首語句的語法格式為：

FUNCTION 函數(shù)名 （參數(shù)列表） RETURN 數(shù)據(jù)類型；

其中，參數(shù)列表中為參數(shù)名、參數(shù)類別及數(shù)據(jù)類型，函數(shù)的參數(shù)為信號或常數(shù)，默認情況為常數(shù)。

函數(shù)體語句的語法格式為：

FUNCTION 函數(shù)名（參數(shù)列表） RETURN 數(shù)據(jù)類型IS

[子程序聲明部分；]

BEGIN

順序語句；

END 函數(shù)名；

其中，在RETURN后面的數(shù)據(jù)類型為函數(shù)返回值的類型；子程序聲明項用來說明函數(shù)體內(nèi)引用的對象和過程；順序語句就是函數(shù)體，用來定義函數(shù)的功能。

（2）函數(shù)的調(diào)用。函數(shù)可以單獨構(gòu)成表達式，或者作為表達式的一部分調(diào)用。函數(shù)調(diào)用語句的語法格式為：

函數(shù)名 （參數(shù)列表）；

3.3.2 過程

過程的作用是傳遞信息，即通過參數(shù)進行調(diào)用代碼和過程代碼的信息傳遞。其中參數(shù)需說明類別、類型及傳遞方向。

（1）過程建立。過程分為聲明和過程主體，聲明應放在包集合的包頭部分，過程定義的主體代碼應放在包集合的包體內(nèi)。

過程聲明的語法格式為：

PROCEDURE 過程名 （參數(shù)列表） ；

其中，參數(shù)聲列表指明了輸入、輸出端口的數(shù)目和類型。

參數(shù)聲明的語法格式為：

[數(shù)據(jù)類型 參數(shù)名：模式]

其中，參數(shù)可以有任意多個；參數(shù)模式有in、out、inout、buffer形式；參數(shù)類型，可以是常數(shù)、信號、變量，“in”默認為常數(shù)，“out”和“inout”默認為“變量”，若需要將“out”和“inout”作為信號使用，則在過程參數(shù)定義時必須指明是信號。

過程定義的語法格式為：

PROCEDURE 過程名 （參數(shù)列表） IS

[子程序聲明部分]；

BEGIN

順序語句；

END [PROCEDURE] [過程名] ；

（2）過程的調(diào)用。過程的調(diào)用是一條語句，調(diào)用時通過其接口返回0個或多個值。過程可以直接調(diào)用，也可以在其他語句中調(diào)用。過程調(diào)用語句的語法格式為：

過程名 （參數(shù)）；

在過程語句執(zhí)行結(jié)束后，如沒有特別說明，輸出和輸入輸出參數(shù)將按變量對待將值傳遞給調(diào)用者的變量。如果調(diào)用者需要輸出和輸入輸出作為信號使用，則在過程參數(shù)定義時要指明是信號。

4 庫的調(diào)用

使用庫之前，首先需要對庫進行聲明。經(jīng)過聲明之后，在設計中就可以調(diào)用庫中的代碼了。用戶庫聲明的語法格式：

LIBRARY 庫名；

USE 庫名.程序包名.包集合名；

5 結(jié)束語

用戶庫是VHDL語言中非常重要的代碼分割、共享、重用的方法，只要將重用的代碼按功能特性以元件、函數(shù)、過程形式構(gòu)建成可重用部件放置在包集合內(nèi)，經(jīng)過編譯后生成用戶庫文件，在后續(xù)編碼過程中通過庫聲明即可調(diào)用用戶庫。

用戶庫的使用可以使代碼結(jié)構(gòu)更加清晰，并且?guī)熘械拇a通常要經(jīng)過嚴格的測試和優(yōu)化，利用用戶庫進行電路設計，可以在FPGA等可編程邏輯器件中達到最優(yōu)的性能和最低的邏輯資源使用率，以保證電路的性能和質(zhì)量。因而，能在降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期的同時提高了設計可靠性。

參考文獻

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作者簡介

駱傳慧，女，大學本科學歷。現(xiàn)為中國電子科技集團第三十八研究所高級工程師。主要研究方向可編程邏輯器件軟件設計、測試。

作者單位

1.中國電子科技集團第三十八研究所 安徽省合肥市 230088

2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室 安徽省合肥市 230088

3.智能情報處理重點實驗室 安徽省合肥市 230088