一．关于端口 VHDL 共定义了 5 种类型的端口，分别是 In, Out,Inout, Buffer及 Linkage，实际设计时只会用到前四种。In 和 Out 端口的使用相对简单。这里，我们主要讲述关于 buffer和inout 使用时的注意事项。 与 Out 端口比，Buffer 端口具有回读功能，也即内部反馈，但在设计时最好不要使用 buffer，因为 buffer类型的端口不能连接到其他类型的端口上，无法把包含该类型端口的设计作为子模块元件例化，不利于大型设计和程序的可读性。若设计时需要实现某个输出的回读功能，可以通过增加中间信号作为缓冲，由该信号完成回读功能。 双向端口 Inout 是四种端口类型中最为特殊的一种，最难以学习和掌握，为此专门提供一个简单程序进行阐述,部分程序如下： ... … ① DataB<=Din when CE=’1’ and Rd=’0’ else ② (others=>’Z’); ③ Dout<=DataB when CE=’1’ and Rd=’1’ else ④ ( others=>’1’ ); … …
三．位（矢量）与逻辑（矢量） bit 或其矢量形式 bit_vector只有’0’和’1’两种状态，数字电路中也只有’0’和’1’两种逻辑，因此会给初学者一个误区，认为采用位（矢量）则足够设计之用，而不必像std_logic那样出现’X’,’U’,’W’各种状态，增加编程难度。但实际情况却并非如此，以一个最简单 D型触发器设计为例 … … ① process(clk) ② begin ③ if clk’event and clk=’1’ then ④ Q<=D; ⑤ end if; ⑥ end process; … … 实际中 clk 对数据端 D的输入有一定的时间限制，即在 clk 上升沿附近（建立时间和保持时间之内），D必须保持稳定，否则 Q输出会出现亚稳态，如下图所示。 当 clk 和 D时序关系不满足时，由于 bit 只有’0’或’1’，系统只能随机的从’0’和’1’中给 Q 输出，这样的结果显然是不可信的；而采用 std_logic 类型，则时序仿真时会输出为一个’X’，提醒用户建立保持时间存在问题，应重新安排 D和 clk 之间时序关系。 此外，对于双向总线设计（前面已提及）、 FPGA/CPLD上电配置等问题，如果没有’Z’,’X’等状态，根本无法进行设计和有效验证。
四．关于进程 进程（Process）是 VHDL 中最为重要的部分，大部分设计都会用到 Process 结构，因此掌握Process 的使用显得尤为重要。以下是初学和使用 Process 经常会出错的例子。
1. 多余时钟的引入 在设计时往往会遇到这种情况，需要对外部某个输入信号进行判断，当其出现上跳或下跳沿时，执行相应的操作，而该信号不像正常时钟那样具有固定占空比和周期，而是很随机，需要程序设计判断其上跳沿出现与否。这时，很容易写出如下程序： ① process(Ctl_a) -- Ctl_a即为该输入信号 ② begin ③ if Ctl_a’event and Ctl_a=’1’ then ④ … … ; --执行相应操作 ⑤ end if ; ⑥ end process; 由于出现第③行这类语句，综合工具自动默认 Ctl_a 为时钟，某些 FPGA 更会强行将该输入约束到时钟引脚上。而设计者的初衷只是想将其作为下位机的状态输入以进行判断。上面的程序容易造成多时钟现象，增加设计的难度。解决的办法可以如下，将 Ctl_a 增加一级状态 Ctl_areg 寄存，通过对 Ctl_a 和Ctl_areg 状态判断上跳与否，改正程序如下： ① process(clk) ② begin ③ if clk’event and clk=’1’ then ④ Ctl_areg<=Ctl_a;--产生相邻状态 ⑤ if Ctl_areg=’0’ and Ctl_a=’1’ then--上跳判断 ⑥ … … ; --执行相应操作 ⑦ end if; ⑧ end if; ⑨ end process; 程序中第④行用以产生两个相邻状态，第⑤行对前后状态进行判断是否有上跳现象发生。其中，需注意的是 clk 的时钟频率应明显快于 Ctl_a信号的变化频率，以保证正确采样。
2. 输出多驱动 误用 Process经常会引起输出多驱动源的发生，即在两个以上的进程内对同一信号赋值操作。 以下程序就出现了这类情况： ⑴ Proc_a: process(clk) ⑵ begin ⑶ if clk’event and clk=’1’ then ⑷ Dout<=Din_A; ⑸ end if ⑹ end process;; ⑺ ⑻ Proc_b:process(sel_en) ⑼ begin ⑽ if sel_en=’1’ then ⑾ Dout<=Din_B; ⑿ end if; ⒀ end process; 进程 Proc_a 和 Proc_b 中都出现了对 Dout 的赋值语句，设计者原本的想法是，只要合理控制好 clk 和 sel_en 输入，使其不发生冲突，即 clk上升沿时 sel_en 不为’1’；sel_en 为’1’时，不出现 clk 的上升沿，这样 Proc_a，Proc_b 两个进程就不会发生冲突。但综合时，综合工具会将所有可能情况全部罗列进去，包括第⑶行和第⑽行同时成立的情况，此时对于 Dout就有 Din_A和 Din_B 两个输入驱动，Dout 不知接收哪一个，因此该程序无法综合，改正的方法是只要将两个进程合并成一个即可。 由于进程在 VHDL 中的重要性，对此专门做了一个总结如下： （1）一个进程中不允许出现两个时钟沿触发，（Xilinx 公司 CoolRunner 系列 CPLD 支持单个时双钟的双触发沿除外） （2）对同一信号赋值的语句应出现在单个进程内，不要在时钟沿之后加上 else 语句，如 if clk’event and clk=’1’ then - else … 的结构，现有综合工具支持不了这种特殊的触发器结构 （3）当出现多层 IF语句嵌套时，最好采用 CASE 语句替代，一是减少多层嵌套带来的延时，二来可以增强程序的可读性 （4）顺序语句如 IF语句、CASE 语句、LOOP 语句、变量赋值语句等必须出现在进程、函数或子程序内部，而不能单独出现在进程之外 （5）进程内部是顺序执行的，进程之间是并行运行的；VHDL 中的所有并行语句都可以理解为特殊的进程，只是不以 Process结构出现，其输入信号和判断信号就是隐含的敏感表
五．关于 VHDL 学习中的几点说明 与软件语言相比，VHDL 最重要的特点就在于它的并行运行特性，当设计好的电路上电后，器件内部所有信号将同时并发工作，而不会以软件方式按照程序顺序执行，即使在进程内部也是趋向并行工作的。例如以下程序： ① process(clk) ② begin ③ if clk’event and clk=’1’ then ④ <= ; ⑤ <= ; ⑥ end if;; ⑦ end process; 综合的结果两个独立的 D 型触发器，虽然进程内部应按顺序执行，但是硬件实现后，只要采样到时钟上升沿， 和 状态会同时翻转，而不会先执行的变化，然后才会去执行 的转变。因此，VHDL 学习过程中，应加强硬件概念的理解，没有硬件概念或是硬件概念不强，在设计时，往往会将 VHDL 设计以软件编程的方式来处理，而得出一些不可思议的结果。
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