如何在 VHDL 中使用有符号和无符号

VHDL 中的有符号和无符号类型是位向量，就像 std_logic_vector 类型一样。不同之处在于，虽然 std_logic_vector 非常适合实现数据总线，但对于执行算术运算却毫无用处。

如果您尝试将任何数字添加到 std_logic_vector 类型，ModelSim 将产生编译错误：中缀运算符“+”没有可行条目。这是因为编译器不知道如何解释向量的这个比特集合。

这篇博文是基本 VHDL 教程系列的一部分。

我们必须将向量声明为有符号或无符号，以便编译器将其视为数字。

声明有符号和无符号信号的语法是：
signal <name> : signed(<N-bits> downto 0) := <initial_value>;
signal <name> : unsigned(<N-bits> downto 0) := <initial_value>;

就像 std_logic_vector 一样，范围可以是 to 或 downto 任何范围。但是用 downto 0 以外的范围声明信号 如此罕见，以至于在这个主题上花费更多时间只会使我们感到困惑。初始值是可选的，默认是'U' 所有位。

我们已经在使用 integer 在之前的教程中输入算术运算。那么为什么我们需要有符号和无符号类型呢？对于大多数人来说，数字设计师喜欢更好地控制信号实际使用的位数。

此外，有符号和无符号值会环绕，而如果 integer 模拟器将抛出运行时错误 增加超出范围。最后，有符号和无符号可以有其他值，如 'U' 和 'X' , 而整数只能有数字值。这些元值可以帮助我们发现设计中的错误。

运动

在本视频中，我们将了解有符号和无符号信号的行为方式有何相似之处，以及它们的行为方式有何不同：

我们在本教程中创建的最终代码：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity T12_SignedUnsignedTb is
end entity;

architecture sim of T12_SignedUnsignedTb is

    signal UnsCnt : unsigned(7 downto 0) := (others => '0');
    signal SigCnt : signed(7 downto 0)   := (others => '0');
    
    signal Uns4   : unsigned(3 downto 0) := "1000";
    signal Sig4   : signed(3 downto 0)   := "1000";
    
    signal Uns8   : unsigned(7 downto 0) := (others => '0');
    signal Sig8   : signed(7 downto 0)   := (others => '0');

begin

    process is
    begin

        wait for 10 ns;
        
        -- Wrapping counter
        UnsCnt <= UnsCnt + 1;
        SigCnt <= SigCnt + 1;
        
        -- Adding signals
        Uns8 <= Uns8 + Uns4;
        Sig8 <= Sig8 + Sig4;

    end process;
end architecture;

ModelSim 中的波形窗口，放大了有趣的部分：

分析

波形中所有信号的基数都设置为十六进制，以便我们可以平等比较。

在包装计数器示例中，我们看到有符号和无符号信号的行为方式完全相同。 UnsCnt 和 SigCnt 从 0 开始，逐一递增直到 FF。十六进制 FF（十进制 255）是我们的 8 位信号可以容纳的最大值。因此，下一个增量将它们都包装回 0。

我们创建了两个 4 位信号 Uns4 和 Sig4 ，并给他们两个初始值“1000”。从波形中我们可以看出，它们都只是十六进制8（二进制1000）。

我们创建的最后两个 8 位信号是 Uns8 和 Sig8 .我们可以从波形中看出，它们的初始值为 0，正如人们所期望的那样。但是从那里开始，他们的行为就不同了！显然，有符号和无符号类型在添加两个不同长度的信号时会有所不同。

这是因为称为 符号扩展 .添加存储在等长向量中的正数或负数在数字逻辑中是相同的操作。这是因为二进制补码的工作原理。如果向量的长度不同，则必须延长最短的向量。

无符号 4 位二进制数“1000”是十进制 8，而有符号 4 位数字“1000”是十进制 -8。有符号数最左边的“1”表示这是一个负数。因此，编译器对这两个 4 位信号进行了不同的符号扩展。

这是符号扩展如何为 Uns8 创建不同值的可视化 和 Sig8 信号：

外卖

• 有符号和无符号类型的信号是可用于算术运算的向量
• 有符号和无符号类型的信号会静默溢出
• 符号扩展可能会为有符号和无符号类型创建不同的结果

转到下一个教程 »