如何在FPGA中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)

　　FPGA常常用于執(zhí)行基于序列和控制的行動(dòng)，比如實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，滿足這些行動(dòng)和序列要求的最佳方法則是使用狀態(tài)機(jī)。狀 態(tài)機(jī)是在數(shù)量有限的狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的邏輯結(jié)構(gòu)。一個(gè)狀態(tài)機(jī)在某個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)只處于一種狀態(tài)。但在一系列觸發(fā)器的觸發(fā)下，將在不同狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　理論上講，狀態(tài)機(jī)可以分為Moore狀態(tài)機(jī)和Mealy狀態(tài)機(jī)兩大類。它們之間的差異僅在于如何生成狀態(tài)機(jī)的輸出。Moore狀態(tài)機(jī)的輸出僅為當(dāng)前 狀態(tài)的函數(shù)。典型的例子就是計(jì)數(shù)器。而Mealy狀態(tài)機(jī)的輸出是當(dāng)前狀態(tài)和輸入的函數(shù)。典型的例子就是Richards控制器。

　　定義狀態(tài)機(jī)

　　當(dāng)需要定義一個(gè)狀態(tài)機(jī)時(shí)，首先要繪制一張狀態(tài)圖。狀態(tài)圖可用來(lái)顯示狀態(tài)、狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換和狀態(tài)機(jī)的輸出。圖1顯示了Moore狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖(左)和Mealy狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖(右)。

　　圖1,用于開(kāi)/關(guān)LED的Moore狀態(tài)機(jī)(左)和Mealy狀態(tài)機(jī)(右)的狀態(tài)圖。

　　如果您要在物理組件中實(shí)現(xiàn)這些狀態(tài)圖(工程師在FPGA問(wèn)世之前就是這么做的)，首先就得生成當(dāng)前狀態(tài)和后續(xù)狀態(tài)表，然后生成實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)所需的邏輯。不過(guò)由于我們將使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，因此我們可以直接從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖開(kāi)始工作。

　　算法狀態(tài)圖

　　雖然有許多狀態(tài)機(jī)是使用圖1所示的狀態(tài)圖方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但另外還有一種描述狀態(tài)機(jī)行為的方法，這就是算法狀態(tài)圖法。ASM圖(圖2)在外觀上更加接近軟件工程流程圖。它由三個(gè)基本部分構(gòu)成：

　　狀態(tài)框。它與狀態(tài)名稱有關(guān)，并包含Moore狀態(tài)輸出列表。

　　決策框。如果檢驗(yàn)?zāi)硹l件為真，則進(jìn)行下一狀態(tài)的判斷。

　　條件輸出框。讓狀態(tài)機(jī)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入描述Mealy輸出。

　　一些工程師認(rèn)為，如果使用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，則采用ASM格式進(jìn)行描述的狀態(tài)機(jī)更易于映射到實(shí)現(xiàn)方案中。

　　圖2,用于圖1所示的狀態(tài)機(jī)(Moore狀態(tài)機(jī)(左)，Mealy狀態(tài)機(jī)(右))的算法狀態(tài)圖。

　　Moore和Mealy:應(yīng)該選擇哪個(gè)?

　　實(shí)現(xiàn)Moore狀態(tài)機(jī)還是Mealy狀態(tài)機(jī)，取決于狀態(tài)機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能，以及特定的反應(yīng)次數(shù)要求。兩種狀態(tài)機(jī)之間的最大差別在于狀態(tài)機(jī)如何對(duì)輸入 做出反應(yīng)。在輸入和設(shè)置的適當(dāng)輸出之間，Moore狀態(tài)機(jī)一般有一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。這就意味著Moore狀態(tài)機(jī)無(wú)法對(duì)輸入變化立即做出反應(yīng)，這點(diǎn)在圖3 中可以清楚地看到。而Mealy狀態(tài)機(jī)則能夠立即對(duì)輸入做出反應(yīng)，這通常意味著：實(shí)現(xiàn)相同的函數(shù)，Mealy狀態(tài)機(jī)比Moore狀態(tài)機(jī)需要更少的狀態(tài)。 Mealy狀態(tài)機(jī)的不足之處就是在與另一個(gè)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，如果輸出出乎意料地嚴(yán)重依賴于其它事件的序列或時(shí)序，就可能會(huì)發(fā)生紊亂情況。

　　圖3,截屏顯示了Moore狀態(tài)機(jī)(上)和Mealy狀態(tài)機(jī)(下)輸出的仿真結(jié)果。

　　當(dāng)然，并非只能使用單純的Moore狀態(tài)機(jī)或Mealy狀態(tài)機(jī)，也可以將這兩種狀態(tài)機(jī)混合使用，從而更有效地實(shí)現(xiàn)所需的函數(shù)。比如說(shuō)，用于接收RS232串行數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)就可以是混合機(jī)。