摘要：论述VHDL中Loop语句动态表达式的可综合性问题,提出三种解决方法：直接代入法、边界扩充法和计数器法,并对比这三类方法的适用性。     关键词：VHDL Loop动态条件 综合子集 直接代入法 边界扩充法 计数器法 引言 VHDL是一种硬件描述语言,于1983年被IEEE制定为国际标准IEEE1076。近年来国内引进和出版了不少教材,使其在国内得到迅速推广。由于VHDL最初目的是为了实现硬件的建模而被提出的,所以其措施能力超越了数字逻辑集成电路的范围。而现有的EDA工具基本上只能支持VHDL的子集,特别是针对FPGA/CPLD器件进行的不同的综合工具,其综合子集并非统一,不少初学者很难掌握。即使是部分有经验的设计者,对于通常高级语言中都会涉及的循环语句,在VHDL中往往也不能运用自如,甚至无法表达此类逻辑,从而限制了VHDL的应用水平。例如,VHDL的并行堆排序描述就是一个比较典型的例子。该实例十分类似通常数据结构的描述,推广前景诱人;但只能通过仿真,却不能在目前任何一个EDA工具进行综合,导致无实用价值。 本文从高级语言涉及最多的Loop语句出发,讨论如何在VHDL中解决这类问题。 1 无法综合的Loop动态条件 VHDL中Loop表达式有三种体现形式：While……Loop、For……Loop和单独的Loop语句。它还支持Next、Exit和标号,因此,循环语句的表达能力大于常规的C或PASCAL语言。程序1是利用For语句和While语句描述插入算法的部分代码。 程序1 不可综合的VHDL循环语句 …… for I in 2 to Length loop ---Length为一个变量 Temp:=MyList(I); J：=I; While(j>1)and MyList(j-1)<Temp loop MyList(j):=MyList(j-1); j:=j-1; End loop; MyList(j):=Temp; End loop; …… 对于第一个For语句,EDA工具Synplify综合时将会给出无边界的范围错误提示。 @E："H：.vhd" for loops with unbound ranges should contain w wait statement 即使部分优秀的综合工具,例如ORCAD Express、Mentor Grpahs QuickHDL等能够综合第一个For语句,也无法支持第二个While条例表达式。ORCAD Express将给出表达式不可静态计算的错误提示。 ..vhd(45):Error,expression does not evaluate to a constant. 由于程序1在C程序员看来是没有问题的,因此,初学者往往不能解决好此类问题,从而使学习陷入困境,无法充分利用VHDL来表述逻辑。 2 直接代换法 对于第一类无边界的范围错误问题,可以用循环的综合机制转化为相应的语句。例如下面代码： for I in 0 to 1 loop Out_Bus(i)<=In_Bus(i); End loop; 其对应综合后的电路见图1。 相应的,也可以用下列语句直接代入代换： Out_Bus(0)<=In_Bus(0); Out_Bus(1)<=In_Bus(1); 程序1可以采用下列VHDL代码表示： K:=2; Temp:=MyList(2); If(MyList(1)<Temp then MyList(2):=MyList(1); J:=1; End if; MyList(J):=Temp; J:=3; Temp:=MyList(3); If(MyList(2)<Temp then MyList(3):=MyList(2); J:=2; End if; If(MyList(1)<Temp then MyList(2):=MyList(1); J:=1; End if; MyList(J):=Temp; …… 然而,这种使用方法要求设计者清楚循环条件一定会执行的次数,否则将无法实施。当循环次数比较大时,代码编写工作量将十分庞大,因此可以采用第二种方法——边界扩充法。 3 边界扩充法 边界扩充法是指在边界未定时,可以将边界定为最大可能的范围,即用静态表达来替代。例如程序1的代码可以改写为： constant MAX:integer=100; --MAX必须大于MyLen所有可能的取值 …… Out_loop:for I in 2 to MAX loop Exit out_loop when I>MyLen; --MyLen为变量 Temp:=MyList(I); countj:=I; inter_loop:for j in I downto 2 loop countj:=j; exit inter_loop when MyList(j-1)<Temp; --退出循环 MyList(j):=MyList(j-1); End loop; MyList(countj):=Temp; End loop; 尽管这种方法可以处理未知边界和未定表达式的情况,但十分消耗空间,特别是当MyLen相对MAX比较小的时候,代价非常大。此时,可以利用时间换空间的方法进行转换。 图1 For语句的综合示例 4 计数器法 计数器法是指引入时钟和计数器,用计数器对边界条件进行控制,也可以将动态表达式直接代入转化相应的静态表达式。例如,上述代码的For条件可以用下列代码替换： if(Reset=''1'')then I:=2; Elsif clk=''1''and clk''event then Temp:=MyList(I); J:=2; While(j>1)and MyList(j-1)<Temp loop MyList(j):=MyList(j-1); j:=j-1; End loop; MyList(j):=Temp; I:=(I+1); If(I=MyLen+1)then I:=2;end if; End if; 相比原来的代码,引入了1个时钟和1个复位。但综合开销最大的循环语句却被取代了,因此,综合产生门的数目将大幅度下降,但处理时间将相应延长到原来循环条件范围。 本刊网络补充版（http://www.dpj.com.cn）中发表了四个源代码,分别为不可综合例子、直接代换法、边界扩充法和计算器法,内部都有相应注释。其中计数器法改进为双计数器方法。 结语 以上三种方法各有优缺点,不可一概而论,可以根据实际情况处理。直接代换法一般用于循环次数少的情况;边界扩充法一般用于循环次数接近最大边界时;计数器方法一般用于芯片内部时钟相对信号时钟快许多的情况。