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，比如實(shí)現(xiàn)一個簡單的通信協(xié)議。對于設(shè)計人員來說，滿足這些行動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)。一個狀態(tài)機(jī)在某個特定的時間點(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)需要定義一個狀態(tài)機(jī)時，首先要繪制一張狀態(tài)圖。狀態(tài)圖可用來顯示狀態(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/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。不過由于我們將使用FPGA來實(shí)現(xiàn)設(shè)計，因此我們可以直接從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖開始工作。

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。它由三個基本部分構(gòu)成：

1.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。

2.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。

3.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?

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)一般有一個時鐘周期的延遲。這就意味著Moore狀態(tài)機(jī)無法對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狀態(tài)機(jī)進(jìn)行通信時，如果輸出出乎意料地嚴(yán)重依賴于其它事件的序列或時序，就可能會發(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，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)。

實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)

使用VHDL這樣的高級語言，可以輕松地直接從狀態(tài)圖實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。VHDL支持多種枚舉類型，方便您定義實(shí)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(yīng)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(guān)的狀態(tài)機(jī)。

實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)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(jìn)程中。第二類基本方法是雙進(jìn)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(shí)現(xiàn)單進(jìn)程狀態(tài)機(jī)。與傳統(tǒng)上講授的雙進(jìn)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(fēng)險。

●狀態(tài)機(jī)的輸出與時鐘保持同步。

●通常比雙進(jìn)程實(shí)現(xiàn)方案更容易調(diào)試。

無論您決定采用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，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(jìn)程法的Moore狀態(tài)機(jī)(左)和Mealy狀態(tài)機(jī)(右)。

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

狀態(tài)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dú)熱碼--這種方法在狀態(tài)機(jī)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(dāng)前設(shè)置為高位，其余均設(shè)置為低位。故稱為“獨(dú)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(dú)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(jī)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(yàn)法則來選取編碼方法：