Unterschied zwischen Signalen und Variablen in VHDL verstehen

Im vorherigen Tutorial lernten wir, wie man eine Variable innerhalb eines Prozesses deklariert. Variablen eignen sich ideal für lokale algorithmische Arbeit, sind aber außerhalb dieses Prozesses nicht sichtbar. Wenn ein Wert mit anderen Teilen des Designs geteilt werden soll, verwendet man ein Signal.

Signale werden im deklarativen Bereich einer Architecture deklariert – also zwischen der Zeile architecture <architecture_name> of <entity_name> is und dem Schlüsselwort begin.

Dieser Beitrag gehört zur Serie „Basic VHDL Tutorials“.

Die Syntax für die Signaldeklaration lautet:
signal <name> : <type>;

Ein Signal kann optional mit einem Initialwert deklariert werden:
signal <name> : <type> := <initialwert>;

Übung

In diesem Video-Tutorial lernen wir, ein Signal zu deklarieren und den Kernunterschied zwischen Variable und Signal zu erkennen.

Der finale Code dieses Tutorials:

entity T06_SignalTb is end entity;
architecture sim of T06_SignalTb is
  signal MySignal : integer := 0;
begin
  process is
    variable MyVariable : integer := 0;
  begin
    report "*** Process begin ***";
    MyVariable := MyVariable + 1;
    MySignal   <= MySignal + 1;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
    MyVariable := MyVariable + 1;
    MySignal   <= MySignal + 1;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
    wait for 10 ns;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
  end process;
end architecture;

Die Ausgabe in der Simulatorkonsole beim Drücken von Run in ModelSim:

VSIM 2> run
# ** Note: *** Process begin ***
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=1, MySignal=0
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=2, MySignal=0
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=2, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: *** Process begin ***
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=3, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=4, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=4, MySignal=2
# Time: 20 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb ...

Analyse

Wir erstellten ein Signal und eine Variable mit demselben Initialwert 0. Obwohl wir sie im Prozess identisch behandelten, zeigt die Konsolenausgabe unterschiedliches Verhalten. Die wesentlichen Unterschiede sind:

• Variablen nutzen den :=-Operator und werden innerhalb des Prozesses sofort aktualisiert.
• Signale nutzen den <=-Operator; der neue Wert wird geplant und tritt erst in Kraft, wenn der Prozess anhält (z. B. an einem wait-Statement).
• Wird einem Signal mehrmals vor dem Wiederaufnehmen des Prozesses zugewiesen, „gewinnt“ nur die letzte Zuweisung, weil frühere geplante Werte überschrieben werden.

In unserem Beispiel gingen die ersten beiden Inkremente von MySignal verloren, da sie vor dem wait for 10 ns; überschrieben wurden. Der anschließende Inkrement erscheint nach der Unterbrechung, wie erwartet.

Zusammenfassung

• Variablen für temporäre Werte verwenden, die sofortige, lokale Updates benötigen.
• Signale verwenden, wenn Änderungen an andere Prozesse oder Komponenten kommuniziert werden müssen.
• Darauf achten, dass Signalzuweisungen geplant sind und nur bei Prozesspause wirksam werden; mehrfache Zuweisungen ohne Pause führen dazu, dass nur der letzte Wert überlebt.

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