2.2 数据类型

本节主要介绍VHDL预定义的数据类型，包括以下5种：标量类型、复合类型、存取类型、文件类型和保护类型。

2.2.1 标量类型

标量类型包含一个单值。标量类型可分为枚举类型、整型类型、物理类型和浮点类型。枚举类型和整数类型是离散类型。整数类型、物理类型和浮点类型是数字类型。所有的标量类型都是有序的，离散类型和物理类型的位置序号都是整数。

枚举类型

枚举类型是一组具有明确值的集合。枚举中的值是一个命名项或者一个字符。定义枚举类型的语法规范如下。

其中，type_name为类型名，enumeration_literal为枚举元素。枚举类型的枚举元素可以是标识符，也可以是字符。相同的枚举元素不可以出现在同一个枚举类型中，但可以存在于不同的枚举类型里。所有的枚举类型都是有序排列的。枚举类型中第一个枚举元素对应的序号是0，后面元素的序号依次加1。IEEE库中的类型大都是基于枚举类型定义的，这部分内容会在后文介绍。

枚举类型定义示例如下。

std库内预定义了许多枚举类型，如character、bit、boolean。预定义的character类型定义了一个字符的枚举类型，包含了ISO/IEC8859-1字符集的256个字符，其定义如下。

整数类型

整数类型定义了一个在特定约束范围内取值的整数的数据类型。一个整数类型定义了其本身和该类型的子类型。整数类型是匿名类型，其取值范围应在实现时确定。在调用整数类型的信号和变量时，其值不能超过取值的范围。定义整数类型的语法规范如下。

其中，type_name是类型名；range_constraint是取值范围。一般取值范围有3种写法：范围描述名、范围表达式和简单范围。在数据取值没有约束时，可以使用范围描述名<>作为range_constraint，表示该类型在合法范围内取值不受限制。简单范围也是较为常用的，其语法规范如下。

simple_expression是范围上下限的简单表达式；direction是范围排列的类型，可用to或downto。L to R是递增范围，当L>R时为无效范围；L downto R是递减范围，当L<R时为无效范围。

整数类型定义示例如下。

std库内预定义的唯一的整数类型是integer。integer类型的范围取决于实现，并且应包括-263到263-1之间的范围（递增范围，含-263和-263-1），其定义如下。

物理类型

物理类型定义了一个物理量的数据类型，该类型值表示量度。物理类型的取值应该是该类型基本度量单位的整数倍。物理类型定义的语法规范如下。

其中，type_name是类型名；range_constraint是取值范围约束；primary_unit_declaration是物理类型的基本度量单位的声明；secondary_unit_declaration是基于基本度量单位的二级度量单位。

物理类型定义示例如下。

std库内预定义的唯一的整数类型是time。time类型的范围取决于实现，并且应包括-263到263-1之间的范围（递增范围，含-263和-263-1）。VHDL程序中所有的延迟和脉冲抑制极限必须是time类型的信号或者变量。time类型的定义如下。

浮点类型

浮点类型定义了一个实数近似值的数据类型，用于通过浮点的方式存储实数。浮点类型定义中的范围约束的每个边界应为浮点类型的静态表达式，并且允许使用负浮点数。

其中，type_name是类型名；range_constraint是取值范围约束。

浮点类型的表示方式必须与std库中预定义匿名类型universal_real类型的表示方式相同；对于不相符的浮点类型，可以通过转换函数将universal_real类型转换为该浮点类型。

std库内预定义的唯一的整数类型是real。real类型的范围取决于运行平台，并且取值范围是所允许的最大范围（递增范围）。real类型的定义如下。

标量类型的预定义运算操作

std库为所有的标量类型预定义了运算操作，其声明如下。

boolean和bit是std库预定义的枚举类型，其定义如下。

std库还为以上两种类型定义了边沿判断函数，声明如下。

2.2.2 复合类型

复合类型是多个元素的集合类型，可分为数组类型和记录类型。

数组类型

数组类型是仅包含相同数据类型元素的集合类型。数组类型定义分为无约束定义和有约束定义两种。无约束数组类型定义如下。

其中，type_name是类型名；type_mark是索引的类型；type_mark range<>是对单机索引的定义；element_subtype是数组内元素的类型。

有约束数组类型定义如下。

其中，type_name是类型名；element_subtype是数组内元素的类型；index_constraint是索引约束，discrete_range是单级索引约束范围。

数组类型定义及对象声明示例如下。

std库预定义了6种数组类型：string、boolean_vector、bit_vector、integer_vector、real_vector和time_vector。string类型是character类型的一位数组，索引为正数范围；boolean_vector、bit_vector、integer_vector、real_vector和time_vector分别是boolean、bit、integer、real和time类型的一位数组，索引为自然数范围。这些数组类型的定义如下。

预定义数组类型对象声明如下。

std库为标量数组类型预定义了运算操作，其声明如下。

记录类型

记录类型是一种符合类型，可包含不同数据类型的元素。如果一个记录类型对象的元素既不是保护类型，也不是文件类型，这个对象的值是由其包含的元素组成的复合值；否则，这个对象就不存在值。记录类型定义的语法规范如下。

其中，type_name是类型名；identifier_list是元素的名称列表，由一个或多个元素名称组成，通过逗号隔开；element_subtype是元素的数据类型。

记录类型定义及对象声明示例如下。

std库为所有标量类型及其子类型定义了取值范围的记录类型，定义如下。

以integer类型为例，其范围记录类型为INTEGER_RANGE_RECORD，包含left、right和direction3个元素，分别表示取值范围的左边界、右边界和范围方向（递增或递减）。INTEGER_RANGE_RECORD类型的定义如下。

对于可用字符串表示的记录类型，std库预定义了字符串转换函数to_string，可返回字符串表示形式。to_string函数定义如下。

2.2.3 存取类型

由对象声明定义的对象是通过对象声明的详细说明创建的，并用简单名称或者其他形式的名称标记的。相反，通过分配器创建的对象是没有简单名称的。对这类对象的访问操作是通过分配器返回的存取值来实现的；存取值指向了这个对象。存取类型与C语言和Pascal语言中的指针具有类似的定义。存取类型定义的语法规范如下。

其中，type_name是类型名；data_type是存取类型指向的数据类型。

每一个存取类型对象的初始值是null，即存取类型还未指向其他对象。存取类型的值必须由分配器来返回，通过这个返回值，存取类型就指向了另一个数据类型，也称为被指向类型。存取类型的对象必须是变量。被指向类型的对象通常也是变量。共享变量不可以被定义为存取类型。

如果被指向类型是文件类型或者包含文件类型元素的复合类型，存取类型的存取值就指向文件对象。同样地，被指向类型是保护类型或者包含保护类型元素的复合类型，存取类型的存取值会指向带有保护类型的对象。

存取类型指向的数据不必在程序的声明部分定义，也不必等到程序段结束才释放，而是需要时随时开辟，不需要时随时释放。根据程序运行时的实际需要，可以随时向系统申请部分空间。由于这些对象没有在声明部分定义，因此，不能通过对象的名称去调用这些数据，需要通过存取类型来引用。当不再需要这些对象时，可以通过预定义的过程释放这部分空间。

存取类型定义示例如下。

存取类型的递归示例如下。

两个存取类型互相依赖的示例如下。

std库为存取类型定义了释放过程deallocate，为不需要的存取类型指向对象释放空间。其声明如下。

2.2.4 文件类型

文件类型用来描述主机系统环境内文件的数据类型。文件类型对象的值是主机系统文件内容的序列。

其中，type_name是类型名；type_mark是文件中数据的类型。

文件类型定义示例如下。

std库为文件类型定义了一些文件读写操作的函数和过程。这些函数和过程声明如下。

2.2.5 保护类型

为了解决多个进程同时访问共享变量的问题，IEEE 1076-2002号标准正式引入了保护类型。保护类型通过将数据结构和运算操作封装到一个容器中，实现对容器内代码访问控制，提高程序操作的安全性，类似于C++中类访问修饰符。引入保护类型这个概念之后，程序中的变量、函数、过程等数据和运算操作可以设置不同的访问级别，方便程序测试和编写。

保护类型的定义包括声明和实现两个部分。在保护类型中，可以定义过程、函数、变量等数据和操作。保护类型定义示例如下。

保护类型调用示例如下。

保护类型可以通过类属映射来实现新的实例，类似于C++中的基类和派生类。