格雷碼的特點是任意相鄰兩個數據之間只有一位不同,這一特點使得采用格雷碼表示狀態值的狀態機,可以在很大程度上消除由延時引起的過渡狀態.將例1改進之后的程序如例2.

例2　采用格雷碼表示狀態值的狀態機.

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
constant st0:std_logic_vector(0 to 1):="00";
constant st1 :std_logic_vector(0 to 1):="01";
constant st2:std_logic_vector(0 to 1):="11";
constant st3:std_logic_vector(0 to 1):="10";
signal current_state,next_state:std_logic
vector(0to1);
begin

……
endbebave;

采用該方法,寄存器的狀態在相鄰狀態之間跳轉時,只有一位變化,產生過渡狀態的概率大大降低.但是當一個狀態到下一個狀態有多種轉換路徑時,就不能保證狀態跳轉時只有一位變化,這樣將無法發揮格雷碼的特點.

2.3　定義“ONEHOT”風格的狀態值編碼

雖然VHDL語言的目標之一是遠離硬件,但是到目前為止并沒有完全實現,所以VHDL程序在針對不同的器件綜合時,仍然會有很大差異.特別是FPGA器件,當我們采用格雷表示狀態值,描述一個簡單的狀態機時,就可能出現不穩定結果.在針對FPGA器件寫程序時,我們可以將狀態值定義為“ONEHOT”風格的狀態碼,將上例稍作修改,見例3.

例3　采用“ONEHOT”編碼的狀態機

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));
endexample;
architecture behave of example is

constant st0:std_logic_vector(0 to 3):="0001";
constant st1:std_logic_vector(0 to 3):="0010";
constant st2:std_logic_vector(0 to 3):="0100";
constant st3:std_logic_vector(0 to 3):="1000";
signal current_state,next_state:std_logic vector(0 to 3);
begin
……
對FLEX10K系列器件綜合后的仿真結果如圖3所示.

?

?

圖3　采用“ONEHOT”編碼的狀態機綜合后的波形

如圖3所示,在輸入信號穩定以后,狀態機的輸出信號也穩定下來,定義這種風格的狀態碼來設計基于FPGA的狀態機是一種不錯的選擇.

然而在輸入信號跳變時,電路還是會出現不穩定現象.此時我們已不能只從狀態值編碼方式尋找解決方法.回頭看看狀態機的原理框圖不難發現:狀態寄存器的輸出值是必須符合建立保持時間約束關系的.在上述狀態機中雖然采用了各種不同的編碼方式但都不能徹底消除這種過渡狀態,我們將電路結構稍作改進,一種更好的結構如圖4所示.這種結構的狀態機可有效抑制過渡狀態的出現.這是因為輸出寄存器只要求狀態值在時鐘的邊沿穩定.將上述程序改進之后的程序如圖4.
……
architecture behave of example1is
type states is(st0,st1,st2,st3); 定義states為枚舉類型
signal current_state,next_state:states;
signal temp:std_logic_vector(0 to 1); 定義一個信號用于引入輸出寄存器
begin
state_change:process(clk) --狀態改變進程
begin
wait until clk'eventandclk='1';
current_state<=next_state;
mach_outputs<=temp;
end process state_change;
……

?

?

圖5　改進后的狀態機綜合后的波形

顯然這種結構的狀態機穩定性優于一般結構的狀態機,但是它占用的邏輯資源更多,電路的速度可能下降,在設計時應綜合考慮.

另外,為防止電路進入非法狀態,可以設計成自啟動結構,在VHDL描述的狀態機中添加一個“when others”語句是行之有效的.

3　選擇不同編碼方式、不同結構的狀態機的技巧

3.1　針對不同結構器件選擇不同編碼風格

基于乘積項結構的CPLD器件適合于設計全編碼狀態機,在全編碼狀態機中采用格雷碼表示狀態值.這對于邏輯資源較少的器件是一種不錯的優化方法.

基于查找表結構的FPGA器件適合于設計成“ONEHOT”方式編碼的狀態機,這種結構狀態機只用一位二進制數表示一個狀態,可提高穩定性,但要占用更多的邏輯資源.

3.2　根據邏輯資源大小選擇狀態機結構

當設計的狀態機狀態轉換次序出現多路徑時,采用格雷碼表示狀態值不會有任何作用,因為此時有些相鄰狀態不只是一位不同.在邏輯資源允許的情況下,可以考慮在狀態機后級增加一級輸出寄存器,可確保輸出不產生毛刺,使狀態機輸出穩定可靠的信號.