VHDL中泛型子程序的使用与实践

### VHDL 中泛型子程序的使用与实践 #### 1. 抽象数据类型（ADT）使用风险 在复杂的行为模型中使用抽象数据类型（ADT）有很多优势，但也存在一定风险。VHDL 无法隐藏 ADT 底层数据结构的具体细节，因为类型声明必须写在包声明中。这意味着 ADT 用户可能会利用这些信息，不通过 ADT 过程和函数来修改数据结构。例如，若一个 ADT 操作只是更新一个记录元素，用户可能会直接更新记录以避免过程调用的开销。然而，现代编译器和计算机使这种“优化”变得不必要，而且用户可能会无意中破坏数据结构。因此，在 VHDL 中使用 ADT 时，用户需要避免这种诱惑，遵守 ADT 接口中的约定，一点自律在建模过程中会带来显著的好处。 #### 2. 子程序中的泛型列表 泛型列表在子程序中允许我们描述可用于各种类型操作数的操作，就像在包中允许描述可复用的容器数据类型一样。 ##### 2.1 带泛型列表的子程序语法 - **过程**： ```plaintext subprogram_body ⇐ procedure identifier [ generic ( generic_interface_list ) ] [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] is { subprogram_declarative_part } begin { sequential_statement } end [ procedure ] [ identifier ] ; ``` - **函数**： ```plaintext subprogram_body ⇐ [ pure I impure ] function identifier [ generic ( generic_interface_list ) ] [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] return type_mark is { subprogram_declarative_item } begin { sequential_statement } end [ function ] [ identifier ] ; ``` 带有泛型列表的子程序称为未实例化的子程序。可选关键字 `parameter` 可用于明确泛型列表和参数列表的分界，对于没有泛型的子程序通常省略该关键字，对于未实例化的子程序是否包含该关键字可根据个人喜好决定。 ##### 2.2 子程序声明与实例化 VHDL 允许将子程序声明分为两部分，一部分仅包含头部，另一部分包含头部和主体。在实例化未实例化的子程序时，需要使用子程序实例化声明，例如： - **过程实例化**： ```plaintext subprogram_instantiation_declaration ⇐ procedure identifier is new uninstantiated_subprogram_name [ signature ] [ generic map ( generic_association_list ) ] ; ``` - **函数实例化**： ```plaintext subprogram_instantiation_declaration ⇐ function identifier is new uninstantiated_subprogram_name [ signature ] [ generic map ( generic_association_list ) ] ; ``` 实例化后，使用实例名称调用实例。如果所有形式泛型都有默认值，可以省略 `generic map` 以使用默认值。 ##### 2.3 示例：通用交换过程 ```vhdl procedure swap generic ( type T ) parameter ( a, b : inout T ) is variable temp : T; begin temp := a; a := b; b := temp; end procedure swap; procedure int_swap is new swap generic map ( T => integer ); procedure vec_swap is new swap generic map ( T => bit_vector(0 to 7) ); variable a_int, b_int : integer; variable a_vec, b_vec : bit_vector(0 to 7); int_swap(a_int, b_int); vec_swap(a_vec, b_vec); ``` 需要注意，不能直接调用未实例化的 `swap` 过程，并且不能用无约束类型作为实际泛型类型来实例化 `swap` 过程，因为过程内部使用该类型声明了一个变量。 ##### 2.4 示例：建立时间检查过程 ```vhdl package timing_pkg is procedure check_setup generic ( type signal_type; type clk_type; clk_active_value : clk_type; T_su : delay_length ) ( signal s : signal_type; signal clk : clk_type ); ... end package timing_pkg; package body timing_pkg is procedure check_setup generic ( type signal_type; type clk_type; clk_active_value : clk_type; T_su : delay_length ) ( signal s : signal_type; signal clk : clk_type ) is begin if clk'event and clk = clk_active_value then assert s'last_event >= T_su report "Setup time violation" severity error; end if; end procedure check_setup; ... end package body timing_pkg; use work.timing_pkg.all; procedure check_normal_setup is new check_setup generic map ( signal_type => std_ulogic, clk_type => std_ulogic, clk_active_value => '1', T_su => 200ps ); procedure check_normal_setup is new check_setup generic map ( signal_type => std_ulogic_vector, clk_type => std_ulogic, clk_active_value => '1', T_su => 200ps ); procedure check_long_setup is new check_setup generic map ( signal_type => std_ulogic_vector, clk_type => std_ulogic, clk_active_value => '1', T_su => 300ps ); signal status : std_ulogic; signal data_in, result : std_ulogic_vector(23 downto 0); check_normal_setup(status, clk); check_normal_setup(result, clk); check_long_setup(data_in, clk); ``` 在这个例子中，时钟信号的活动值和建立时间间隔值被绑定到过程实例的定义中，不需要作为单独的参数提供。 ##### 2.5 签名的使用 VHDL 允许重载子程序，并根据调用中参数的类型使用参数和结果类型配置文件来区分它们。当需要在调用之外命名子程序时，可以写一个签名来表明我们指的是哪个重载版本。例如，在别名声明中就可以使用签名。签名列出参数类型，对于函数还列出返回类型，都用方括号括起来。如果一个未实例化的子程序被重载，可以在实例化中包含一个签名来表明我们指的是哪个未实例化版本。例如： ```vhdl procedure combine generic ( type T ) parameter ( x : T; value : bit ); procedure combine generic ( type T ) parameter ( x : T; value : integer ); procedure combine_vec_with_bit is new combine[T, bit] generic map ( T => bit_vector ); ``` ##### 2.6 泛型映射子程序 和包一样，我们也可以在子程序中包含泛型映射。这样的子程序称为泛型映射子程序。 - **泛型映射过程语法**： ```plaintext subprogram_body ⇐ procedure identifier [ generic ( generic_interface_list ) [ generic map ( generic_association_list ) ] ] [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] is { subprogram_declarative_part } begin { sequential_statement } end [ procedure ] [ identifier ] ; ``` - **泛型映射函数语法**： ```plaintext subprogram_body ⇐ [ pure I impure ] function identifier [ generic ( generic_interface_list ) [ generic map ( generic_association_list ) ] ] [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] return type_mark is { subprogram_declarative_item } begin { sequential_statement } end [ function ] [ identifier ] ; ``` 通常我们不会显式编写泛型映射子程序，了解这个特性是为了在分析器产生看似神秘的错误消息时有所帮助。 #### 3. 泛型子程序 VHDL 允许声明泛型子程序，作为一种为单元提供要执行的操作或动作的方式。我们在泛型列表中声明一个形式泛型子程序，代表一个尚未指定的子程序，并在具有泛型列表的单元内包含对该形式泛型子程序的调用。当实例化该单元时，为该实例提供一个实际子程序。对形式泛型子程序的每次调用都代表对实例中实际子程序的调用。 ##### 3.1 形式泛型子程序声明语法 - **过程**： ```plaintext interface_declaration ⇐ procedure identifier [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] ``` - **函数**： ```plaintext interface_declaration ⇐ procedure identifier [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] return type_mark ``` 形式泛型子程序必须是一个简单的子程序，即它本身不能包含泛型列表。 ##### 3.2 示例：带增量函数的通用计数器 ```vhdl entity generic_counter is generic ( type count_type; constant reset_value : count_type; function increment ( x : count_type ) return count_type ); port ( clk, reset : in bit; data : out count_type ); end entity generic_counter; architecture rtl of generic_counter is begin count : process (clk) is begin if rising_edge(clk) then if reset then data <= reset_value; else data <= increment(data); end if; end if; end process count; end architecture rtl; use ieee.numeric_std.all; function add1 ( arg : unsigned ) return unsigned is begin return arg + 1; end function add1; signal clk, reset : bit; signal count_val : unsigned(15 downto 0); counter : entity work.generic_counter(rtl) generic map ( count_type => unsigned(15 downto 0), reset_value => (others => '0'), increment => add1 ) port map ( clk => clk, reset => reset, data => count_val ); ``` 我们还可以为不同类型实例化这个计数器，例如为 `traffic_light_color` 类型： ```vhdl type traffic_light_color is (red, yellow, green); function next_color ( arg : traffic_light_color ) return traffic_light_color is begin if arg = traffic_light_color'high then return traffic_light_color'low; else return traffic_light_color'succ(arg); end if; end function next_color; signal east_light : traffic_light_color; east_counter : work.generic_counter(rtl) generic map ( count_type => traffic_light_color, reset_value => red, increment => next_color ) port map ( clk => clk, reset => reset, data => east_light ); ``` ##### 3.3 默认形式泛型子程序 当在泛型列表中声明形式泛型子程序时，可以指定一个默认子程序，在没有为实例提供实际泛型子程序时使用。 - **带默认值的形式泛型过程声明**： ```plaintext interface_declaration ⇐ procedure identifier [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] is subprogram_name ``` - **带默认值的形式泛型函数声明**： ```plaintext interface_declaration ⇐ function identifier [ [ parameter ] ( parameter_interface_list ) ] return type_mark is subprogram_name ``` 所命名的子程序必须在该点可见。 ##### 3.4 示例：包中的通用错误报告 ```vhdl package error_utility_pkg is procedure report_error ( report_string : string; report_severity : severity_level ); end package error_utility_pkg; package body error_utility_pkg is procedure report_error ( report_string : string; report_severity : severity_level ) is begin report report_string severity report_severity; end procedure report_error; end package body error_utility_pkg; package operations is generic ( procedure error_action ( report_string : string; report_severity : severity_level ) is work.error_utility_pkg.report_error ); procedure step1 ( ... ); ... end package operations; package body operations is procedure step1 ( ... ) is begin ... if something_is_wrong then error_action("Something is wrong in step1", error); end if; ... end procedure step1; ... end package body operations; package reporting_operations is new work.operations; use re ```