如何在FPGA中實(shí)現狀態(tài)機

●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(shí)現方案，只在選擇的方法出現問(wèn)題時(shí)進(jìn)行考慮。但是，如果您要全盤(pán)自行掌控，并定義狀態(tài)編碼方法，也沒(méi)必要手動(dòng)操作，只需使用狀態(tài)編碼為每一種狀態(tài)設定常數即可。相反地，可以使用代碼中的一個(gè)屬性來(lái)驅動(dòng)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(guò)結合使用“safe”屬性來(lái)確保在狀態(tài)機進(jìn)入非法狀態(tài)時(shí)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(lái)對三態(tài)狀態(tài)機進(jìn)行編碼：Idle = “11,”led_on = “10,” led_off = “01(與較傳統的順序”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(huì )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(guān)閉FSM編譯器。

前面給出的等式可確定狀態(tài)機實(shí)現方案所需的觸發(fā)器數量。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(huì )用到。實(shí)現狀態(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(lái)實(shí)現這一目標。對于高度可靠的安全關(guān)鍵型設計，則需要采用其它更高級的技巧。

不過(guò)對于大多數應用來(lái)說(shuō)，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(jìn)入非法狀態(tài)時(shí)能夠正確地恢復。要做到這一點(diǎn)有兩種主要的方法。第一種方法是使用綜合工具實(shí)現一個(gè)安全的狀態(tài)機。綜合工具通常會(huì )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(shí)現邏輯的控制，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(lái)確保即便是在沒(méi)有入口條件下，2的冪次方狀態(tài)機的狀態(tài)也不會(huì )被優(yōu)化掉。這意味著(zhù)除非出錯(單粒子翻轉等)，狀態(tài)機內部的任何條件都不會(huì )進(jìn)入狀態(tài)。下面的代碼顯示了通過(guò)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(jiǎn)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(gè)系統的需求。無(wú)論選擇哪種類(lèi)型的狀態(tài)機，充分掌握實(shí)現方案所需的工具和技巧，將確保您實(shí)現最佳解決方案。