FPGA/CPLD狀態(tài)機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

　　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(duì)FLEX10K系列器件綜合后的仿真結(jié)果如圖3所示.

　　圖3　采用“ONEHOT”編碼的狀態(tài)機(jī)綜合后的波形

　　如圖3所示,在輸入信號(hào)穩(wěn)定以后,狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)也穩(wěn)定下來(lái),定義這種風(fēng)格的狀態(tài)碼來(lái)設(shè)計(jì)基于FPGA的狀態(tài)機(jī)是一種不錯(cuò)的選擇.

　　然而在輸入信號(hào)跳變時(shí),電路還是會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象.此時(shí)我們已不能只從狀態(tài)值編碼方式尋找解決方法.回頭看看狀態(tài)機(jī)的原理框圖不難發(fā)現(xiàn):狀態(tài)寄存器的輸出值是必須符合建立保持時(shí)間約束關(guān)系的.在上述狀態(tài)機(jī)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(guò)渡狀態(tài),我們將電路結(jié)構(gòu)稍作改進(jìn),一種更好的結(jié)構(gòu)如圖4所示.這種結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)可有效抑制過(guò)渡狀態(tài)的出現(xiàn).這是因?yàn)檩敵黾拇嫫髦灰鬆顟B(tài)值在時(shí)鐘的邊沿穩(wěn)定.將上述程序改進(jìn)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(lèi)型

　　signal current_state,next_state:states;

　　signal temp:std_logic_vector(0 to 1); 定義一個(gè)信號(hào)用于引入輸出寄存器

　　begin

　　state_change:process(clk) --狀態(tài)改變進(jìn)程

　　begin

　　wait until clk'eventandclk='1';

　　current_state=next_state;

　　mach_outputs=temp;

　　end process state_change;

　　……

　　圖5　改進(jìn)后的狀態(tài)機(jī)綜合后的波形

　　顯然這種結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)穩(wěn)定性優(yōu)于一般結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī),但是它占用的邏輯資源更多,電路的速度可能下降,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮.

　　另外,為防止電路進(jìn)入非法狀態(tài),可以設(shè)計(jì)成自啟動(dòng)結(jié)構(gòu),在VHDL描述的狀態(tài)機(jī)中添加一個(gè)“when others”語(yǔ)句是行之有效的.

　　3　選擇不同編碼方式、不同結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)的技巧

　　3.1　針對(duì)不同結(jié)構(gòu)器件選擇不同編碼風(fēng)格

　　基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)的CPLD器件適合于設(shè)計(jì)全編碼狀態(tài)機(jī),在全編碼狀態(tài)機(jī)中采用格雷碼表示狀態(tài)值.這對(duì)于邏輯資源較少的器件是一種不錯(cuò)的優(yōu)化方法.

　　基于查找表結(jié)構(gòu)的FPGA器件適合于設(shè)計(jì)成“ONEHOT”方式編碼的狀態(tài)機(jī),這種結(jié)構(gòu)狀態(tài)機(jī)只用一位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)狀態(tài),可提高穩(wěn)定性,但要占用更多的邏輯資源.

　　3.2　根據(jù)邏輯資源大小選擇狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換次序出現(xiàn)多路徑時(shí),采用格雷碼表示狀態(tài)值不會(huì)有任何作用,因?yàn)榇藭r(shí)有些相鄰狀態(tài)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(tài)機(jī)后級(jí)增加一級(jí)輸出寄存器,可確保輸出不產(chǎn)生毛刺,使?fàn)顟B(tài)機(jī)輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào).