在FPGA/CPLD設計中頻繁使用的狀態機,常出現一些穩定性問題,本文提出了一些解決方法,實驗表明該方法有效地提高了綜合效率.
隨著大規模和超大規模FPGA/CPLD器件的誕生和發展,以HDL(硬件描述語言)為工具、FPGA/CPLD器件為載體的EDA技術的應用越來越廣泛.從小型電子系統到大規模SOC(Systemonachip)設計,已經無處不在.在FPGA/CPLD設計中,狀態機是最典型、應用最廣泛的時序電路模塊,如何設計一個穩定可靠的狀態機是我們必須面對的問題.

1、狀態機的特點和常見問題

標準狀態機分為摩爾(Moore)狀態機和米立(Mealy)狀態機兩類.Moore狀態機的輸出僅與當前狀態值有關,且只在時鐘邊沿到來時才會有狀態變化.Mealy狀態機的輸出不僅與當前狀態值有關,而且與當前輸入值有關,這一特點使其控制和輸出更加靈活,但同時也增加了設計復雜程度.其原理如圖1所示.

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根據圖1所示,很容易理解狀態機的結構.但是為什么要使用狀態機而不使用一般時序電路呢?這是因為它具有一些一般時序電路無法比擬的優點.

用VHDL描述的狀態機結構分明,易讀,易懂,易排錯;

相對其它時序電路而言,狀態機更加穩定,運行模式類似于CPU,易于實現順序控制等.
用VHDL語言描述狀態機屬于一種高層次建模,結果經常出現一些出乎設計者意外的情況:

1.在兩個狀態轉換時,出現過渡狀態.
2.在運行過程中,進入非法狀態.
3.在一種器件上綜合出理想結果,移植到另一器件上時,不能得到與之相符的結果.
4.狀態機能夠穩定工作,但占用邏輯資源過多.

在針對FPGA器件綜合時,這種情況出現的可能性更大.我們必須慎重設計狀態機,分析狀態機內在結構,在Moore狀態機中輸出信號是當前狀態值的譯碼,當狀態寄存器的狀態值穩定時,輸出也隨之穩定了.經綜合器綜合后一般生成以觸發器為核心的狀態寄存電路,其穩定性由此決定.如果CLOCK信號的上升沿到達各觸發器的時間嚴格一致的話,狀態值也會嚴格按照設計要求在規定的狀態值之間轉換.然而這只是一種理想情況,實際CPLD/FPGA器件一般無法滿足這種苛刻的時序要求,特別是在布線后這些觸發器相距較遠時,CLOCK到達各觸發器的延時往往有一些差異.這種差異將直接導致狀態機在狀態轉換時產生過渡狀態,當這種延時進一步加大時,將有可能導致狀態機進入非法狀態.這就是Moore狀態機的失效機理.對于Mealy狀態機而言,由于其任何時刻的輸出與輸入有關,這種情況就更常見了.

2　狀態機設計方案比較

2.1　采用枚舉數據類型定義狀態值

在設計中定義狀態機的狀態值為枚舉數據類型,綜合器一般把它表示為二進制數的序列,綜合后生成以觸發器為核心的狀態寄存電路,寄存器用量會減少,其綜合效率和電路速度將會在一定程度上得到提高.

例1　定義狀態值為枚舉類型的狀態機VHDL程序.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164 all;
entity example is
port(clk:in std_logic;
mach_input:in std_logic;
mach_outputs:out std_logic_vector(0 to 1));
end example;
architecture behave of example is
type states is(st0,st1,st2,st3); --定義states為枚舉類型
signal current_state,next_state:states;
begin

state_change:process(clk) --狀態改變進程
begin
wait until clk'event and clk='1';
current_state<=next_state;
end process state_change;
combination:process(current_state,mach_input)
…… --輸出狀態值譯碼,給"next_state"賦新值.省略
end behave;

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圖2　枚舉類型的狀態機綜合后的波形

例1是一個四狀態全編碼狀態機,綜合后的仿真波形如圖2所示.從放大后的局部可以看出輸出狀態值從“01”到“10”轉換過程中出現了過渡狀態“11”.從微觀上分析中間信號“Current_state”狀態轉換過程,狀態寄存器的高位翻轉和低位翻轉時間是不一致的,當高位翻轉速度快時,會產生過渡狀態“11”,當低位翻轉速度快時會產生過渡狀態“00”.若狀態機的狀態值更多的話,則產生過渡狀態的概率更大.如果在非全編碼狀態機中,由于這種過渡狀態的反饋作用,將直接導致電路進入非法狀態,若此時電路不具備自啟動功能,那么電路將無法返回正常工作狀態.

因為狀態機的輸出信號常用作重要的控制,如:三態使能,寄存器清零等.所以這種結果是不允許的,如何消除此類過渡狀態呢?方法之一是采用格雷碼表示狀態值.

2.2　用格雷碼表示狀態值