VHDL读取16位二进制采样文件时出现IO内部错误求助

问题背景 #

编写VHDL仿真模块读取包含16位采样的二进制文件，使用GHDL编译仿真时触发IO错误，但将采样类型替换为integer、bit等非向量类型时无异常。

原始代码 #

library ieee; 
use IEEE.std_logic_1164.all; 
use IEEE.numeric_std.all; 
use std.textio.all;

entity read_binary_file is 
    generic ( clk_per : time := 8 ns ); 
end read_binary_file;

architecture behav of read_binary_file is

    subtype sample is signed(15 downto 0);
    
    type sample_file is file of sample;
    
    file input_file : sample_file;
    
    signal input : signed(15 downto 0);

begin

    read_file : process

    variable input_data : sample;

    begin
        
        file_open(input_file, ".\HPGex2_Na22\data_chA_r00020.bin", read_mode);

        while not endfile(input_file) loop

            read(input_file, input_data);

            input <= input_data;
            
            wait for clk_per;

        end loop;

        if endfile(input_file) then
            file_close(input_file);
            wait;
        end if;

    end process;
end behav;

编译仿真命令 #

ghdl -a "--std=08" ./read_binary_file/read_binary_file.vhdl
ghdl -e "--std=08" read_binary_file
ghdl -r "--std=08" read_binary_file --stop-time="1000ms" --vcd=wave.vcd --disp-time

错误信息 #

.\read_binary_file.exe:internal error: file: IO error
.\read_binary_file.exe:error: simulation failed

原因分析 #

VHDL中file of <复合类型>（比如signed属于复合类型）的二进制IO采用工具内部的序列化格式，并非直接对应原始的二进制字节流。而目标文件是普通的16位采样二进制数据，两者格式不兼容，因此触发IO错误。integer、bit等标量类型的文件IO格式与原始二进制数据匹配，所以可以正常读取。

解决方案 #

改用textio读取原始字节数据，手动拼接为16位后转换为signed类型。注意根据实际文件的字节序（大端/小端）调整拼接顺序：

library ieee; 
use IEEE.std_logic_1164.all; 
use IEEE.numeric_std.all; 
use std.textio.all;

entity read_binary_file is 
    generic ( clk_per : time := 8 ns ); 
end read_binary_file;

architecture behav of read_binary_file is

    signal input : signed(15 downto 0);

begin

    read_file : process
        file input_file : text open read_mode is ".\HPGex2_Na22\data_chA_r00020.bin";
        variable line_buf : line;
        variable byte_high, byte_low : std_logic_vector(7 downto 0);
        variable raw_data : std_logic_vector(15 downto 0);
        variable open_status : file_open_status;
    begin
        -- 检查文件是否成功打开
        file_open(open_status, input_file, ".\HPGex2_Na22\data_chA_r00020.bin", read_mode);
        if open_status /= open_ok then
            report "Failed to open target binary file" severity failure;
        end if;

        while not endfile(input_file) loop
            -- 读取两个字节（根据文件字节序调整读取顺序）
            read(line_buf, byte_high);
            read(line_buf, byte_low);
            
            -- 拼接为16位数据，此处假设文件为大端格式；若为小端则改为byte_low & byte_high
            raw_data := byte_high & byte_low;
            input <= signed(raw_data);
            
            wait for clk_per;
        end loop;

        file_close(input_file);
        wait;
    end process;
end behav;

说明 #

• 若二进制文件采用小端存储（低字节在前），需将raw_data := byte_high & byte_low改为raw_data := byte_low & byte_high。
• 新增的文件打开状态检查可以帮助快速定位文件路径错误等问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Matei-Răzvan Obogeanu