如何在FPGA中實現(xiàn)狀態(tài)機

　　實現(xiàn)狀態(tài)機

　　使用VHDL這樣的高級語言，可以輕松地直接從狀態(tài)圖實現(xiàn)狀態(tài)機。VHDL支持多種枚舉類型，方便您定義實際的狀態(tài)名稱。舉例如下：

　　TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

　　上面的類型定義對應的是圖1中所示的狀態(tài)圖，即用于在按下按鈕時切換發(fā)光二極管開/關的狀態(tài)機。

　　實現(xiàn)狀態(tài)機有許多種方法，可分為兩類基本方法。第一類基本方法就是一次性將所有內(nèi)容集成到單個進程中。第二類基本方法是雙進程法，將組合邏輯和順序邏輯分開。

　　一般來說，大多數(shù)工程師都傾向于實現(xiàn)單進程狀態(tài)機。與傳統(tǒng)上講授的雙進程法相比，這種方法具有以下優(yōu)勢：

　　可以避免組合過程中信號覆蓋不完全造成的閉鎖風險。

　　狀態(tài)機的輸出與時鐘保持同步。

　　通常比雙進程實現(xiàn)方案更容易調(diào)試。

　　無論您決定采用哪一種方法來實現(xiàn)狀態(tài)機，都需要使用CASE語句來評估下一狀態(tài)的判定和任何輸出，如圖4所示。該圖并行比較了使用單進程法的Moore狀態(tài)機(左)和Mealy狀態(tài)機(右)。

　　圖4,使用VHDL語言的Moore狀態(tài)機(左)和Mealy狀態(tài)機。

　　狀態(tài)機編碼

　　狀態(tài)變量存儲在觸發(fā)器中，使用下一時鐘邊緣上的下一狀態(tài)進行更新(即使沒有狀態(tài)變化也是如此)。如何使用觸發(fā)器來表示狀態(tài)值具體取決于狀態(tài)的數(shù)量和是否選擇用某種特定的方法來管理綜合工具。狀態(tài)編碼最常見的三種類型是：

　　順序碼--狀態(tài)編碼遵循傳統(tǒng)的狀態(tài)二進制序列。

　　格雷碼--除了狀態(tài)編碼使用格雷碼，且狀態(tài)編碼串之間只有一個位變化外，其它基本與順序編碼方法類似。

　　獨熱碼--這種方法在狀態(tài)機中為每一種狀態(tài)分配一個觸發(fā)器。只有一個觸發(fā)器當前設置為高位，其余均設置為低位。故稱為“獨熱”.

　　順序編碼和格雷編碼都需要一定數(shù)量的觸發(fā)器，可以通過下列等式來確定：

　　相比之下，獨熱編碼法所需的觸發(fā)器數(shù)量和狀態(tài)數(shù)量一樣多。

　　狀態(tài)編碼的自動分配取決于狀態(tài)機所包含的狀態(tài)數(shù)量。同時還需要考慮您選擇使用的綜合工具。您可以根據(jù)下列經(jīng)驗法則來選取編碼方法：

　　順序：少于5種狀態(tài)。

　　獨熱：5-50種狀態(tài)。

　　格雷：多于50種狀態(tài)。

　　一般情況下您不必去考慮使用哪一種狀態(tài)編碼方法，而是讓綜合引擎工具確定合適的實現(xiàn)方案，只在選擇的方法出現(xiàn)問題時進行考慮。但是，如果您要全盤自 行掌控，并定義狀態(tài)編碼方法，也沒必要手動操作，只需使用狀態(tài)編碼為每一種狀態(tài)設定常數(shù)即可。相反地，可以使用代碼中的一個屬性來驅(qū)動綜合工具，從而選擇 特定的編碼方法。具體如下所示：

　　TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

　　SIGNAL current_state : state := idle;

　　ATTRIBUTE syn_encoding STRING;

　　ATTRIBUTE syn_encoding OF current_state :

　　SIGNAL IS “sequential”;

　　其中“sequential”也可以是“gray”和“onehot”.您還可以通過結(jié)合使用“safe”屬性來確保在狀態(tài)機進入非法狀態(tài)時能夠恢復到有效狀態(tài)。

　　另外，您也可以使用syn_encoding屬性直接定義狀態(tài)編碼的值。例如，假設您想要使用下列狀態(tài)編碼法來對三態(tài)狀態(tài)機進行編碼：Idle = “11,”led_on = “10,” led_off = “01(與較傳統(tǒng)的順序”00“、”01“和”10“不同)：

　　TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

　　SIGNAL current_state : state := idle;

　　ATTRIBUTE syn_encoding STRING;

　　ATTRIBUTE syn_encoding OF current_state :

　　SIGNAL IS ”sequential“;

　　工程師負責在綜合工具中使用正確的設置，以確保該工具不會忽略任何屬性。例如，賽靈思XST工具要求將FSM選項設置為USER,而Synopsys的Synplify則要求關閉FSM編譯器。

　　前面給出的等式可確定狀態(tài)機實現(xiàn)方案所需的觸發(fā)器數(shù)量。由于不是所有的狀態(tài)機都是2的冪次方，因此某些狀態(tài)在設計中將不會用到。實現(xiàn)狀態(tài)機的工程師 必須負責確保未使用的狀態(tài)在設計中得到妥善處理?？梢圆捎脦追N適用于多種設計的基本技巧來實現(xiàn)這一目標。對于高度可靠的安全關鍵型設計，則需要采用其它更 高級的技巧。

　　不過對于大多數(shù)應用來說，只需要確保狀態(tài)機能夠妥善地處理未使用的狀態(tài)并在進入非法狀態(tài)時能夠正確地恢復。要做到這一點有兩種主要的方法。第一種方 法是使用綜合工具實現(xiàn)一個安全的狀態(tài)機。綜合工具通常會插入額外的邏輯，用于檢測非法狀態(tài)并將狀態(tài)機返回到有效狀態(tài)。第二種方法是加強對實現(xiàn)邏輯的控制， 聲明所有2的冪次方狀態(tài)機的狀態(tài)，并使用另一屬性來確保即便是在沒有入口條件下，2的冪次方狀態(tài)機的狀態(tài)也不會被優(yōu)化掉。這意味著除非出錯(單粒子翻轉(zhuǎn) 等)，狀態(tài)機內(nèi)部的任何條件都不會進入狀態(tài)。下面的代碼顯示了通過使用屬性以防止清除未使用的狀態(tài)。

　　TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

　　SIGNAL current_state : state := idle;

　　ATTRIBUTE syn_keep BOOLEAN;

　　ATTRIBUTE syn_keep OF current_state :

　　SIGNAL IS TRUE”;

　　簡而言之，安全高效的狀態(tài)機設計對于任何使用FPGA的工程師而言都是一項重要技能。選擇Moore狀態(tài)機、Mealy狀態(tài)機還是混合機取決于整個系統(tǒng)的需求。無論選擇哪種類型的狀態(tài)機，充分掌握實現(xiàn)方案所需的工具和技巧，將確保您實現(xiàn)最佳解決方案。