如何在FPGA中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)

●順序：少于5種狀態(tài)。

●獨(dú)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(xiàn)方案，只在選擇的方法出現(xiàn)問題時進(jìn)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(shè)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(jī)進(jìn)入非法狀態(tài)時能夠恢復(fù)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(shè)您想要使用下列狀態(tài)編碼法來對三態(tài)狀態(tài)機(jī)進(jìn)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(fù)責(zé)在綜合工具中使用正確的設(shè)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(shè)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(jī)實(shí)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(jī)都是2的冪次方，因此某些狀態(tài)在設(shè)計中將不會用到。實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的工程師必須負(fù)責(zé)確保未使用的狀態(tài)在設(shè)計中得到妥善處理。可以采用幾種適用于多種設(shè)計的基本技巧來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。對于高度可靠的安全關(guān)鍵型設(shè)計，則需要采用其它更高級的技巧。

不過對于大多數(shù)應(yīng)用來說，只需要確保狀態(tài)機(jī)能夠妥善地處理未使用的狀態(tài)并在進(jìn)入非法狀態(tài)時能夠正確地恢復(fù)。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(xiàn)一個安全的狀態(tài)機(jī)。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(jī)返回到有效狀態(tài)。第二種方法是加強(qiáng)對實(shí)現(xiàn)邏輯的控制，聲明所有2的冪次方狀態(tài)機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)部的任何條件都不會進(jìn)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(jī)設(shè)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(jī)、Mealy狀態(tài)機(jī)還是混合機(jī)取決于整個系統(tǒng)的需求。無論選擇哪種類型的狀態(tài)機(jī)，充分掌握實(shí)現(xiàn)方案所需的工具和技巧，將確保您實(shí)現(xiàn)最佳解決方案。