基于VHDL的MTM總線主模塊有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：為了能夠更簡潔嚴(yán)謹(jǐn)?shù)孛枋?strong>MTM總線的主模塊有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)減少FPGA芯片功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，文中在分析MTM總線結(jié)構(gòu)和主模塊有限狀態(tài)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，基于VHDL語言采用“單進(jìn)程”式對該有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在QuartusⅡ開發(fā)軟件中實(shí)現(xiàn)了對語言代碼的編譯及程序的時(shí)序仿真和功能仿真；通過對仿真波形圖的分析驗(yàn)證了該狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：VHDL；MTM總線；有限狀態(tài)機(jī)；主控制模塊

    MTM總線(Module Testing and Maintenance bus，MTMbus)是一種同步、串行、用于系統(tǒng)級的背板測試及維護(hù)總線，可以實(shí)現(xiàn)IEEE1149.5標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的故障檢測、容錯(cuò)以及擴(kuò)展的命令集。該技術(shù)已經(jīng)被美軍“寶石柱”和“寶石臺”計(jì)劃的航空電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用。
    當(dāng)前MTM總線主模塊有限狀態(tài)機(jī)主要采用VerilogHDL程序編寫的狀態(tài)機(jī)描述，Verilog HDL語言并不可以進(jìn)行系統(tǒng)級的硬件描述。
    VHDL是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，不僅可以用于系統(tǒng)級的硬件描述而且在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件時(shí)沒有嵌入與工藝有關(guān)的信息，在工藝更新時(shí)無須修改原設(shè)計(jì)程序。文中設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)采用“單進(jìn)程”式狀態(tài)機(jī)描述，與“三進(jìn)程”和“雙進(jìn)程”式相比可以有效地節(jié)省FPGA芯片的資源，從而進(jìn)一步減少功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    通過簡要分析MTM總線的基本結(jié)構(gòu)、各模塊間的通訊方式、主模塊有限狀態(tài)機(jī)模型基于VHDL語言設(shè)計(jì)了主模塊有限狀態(tài)機(jī)；并且利用QuartusⅡ9．0版本軟件和Cyclone系列EP1C60240C6芯片對所設(shè)計(jì)的MTM總線主模塊狀態(tài)機(jī)的VHDL代碼進(jìn)行了時(shí)序仿真和功能仿真。

1 MTM總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 MTM總線的基本結(jié)構(gòu)
    MTM總線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，總線定義了4條必選信號線和一條可選信號線，即MCTL(控制信號線)、MMD(主模數(shù)據(jù)信號線)、MSD(從模塊數(shù)據(jù)信號線)、MCLK(時(shí)鐘信號線)和MPR(請求暫停信號線)。

    MTM總線上的所有模塊采用主從結(jié)構(gòu)的通訊協(xié)議，該總線有且只能有一個(gè)主模塊，最多可以有250個(gè)能夠被獨(dú)立尋址的從屬模塊。MTM總線多站點(diǎn)結(jié)構(gòu)和尋址能力允許主模塊一次可以尋址一個(gè)從模塊、多個(gè)從模塊(多點(diǎn)尋址方式)和所有的從模塊(廣播尋址方式)，并且與之通訊。M TM總線的主模塊有限狀態(tài)機(jī)是MTM總線主模塊的核心控制單元，它控制著整個(gè)信息傳輸過程。MTM總線控者使用消息交換的方式與從模塊進(jìn)行通訊，消息是由一系列的包組成，包括一個(gè)頭包，一個(gè)可選答應(yīng)包和一系列數(shù)據(jù)包，包的長度為17位，高16位數(shù)據(jù)信息，最低位用于奇校驗(yàn)，消息包的控制必須由主模塊控制。
1．2 MTM主模塊
    主控制模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。主控制模塊在MTM總線協(xié)議中處于主控地位，主要功能是將來自微處理器的數(shù)據(jù)按照IEEE1149．5標(biāo)準(zhǔn)定義的消息格式進(jìn)行打包送到指定的從控制模塊；同時(shí)將來自指定從控制模塊的消息包進(jìn)行解包，并且提取有用數(shù)據(jù)傳回微處理器，供微處理器分析和處理。

    主狀態(tài)機(jī)是主控制模塊的核心單元，它的作用是控制整個(gè)信息傳輸過程。

    主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3。當(dāng)主狀態(tài)機(jī)處于某個(gè)給定的狀態(tài)時(shí)，MCTL和MMD信號的邏輯值在MCLK的上升沿產(chǎn)生；在每個(gè)MCLK信號周期，主狀態(tài)機(jī)根據(jù)控制信號的只發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換；在主狀態(tài)機(jī)的17個(gè)傳送狀態(tài)下發(fā)送17位的數(shù)據(jù)包，其他狀態(tài)不發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)接收MSD上的數(shù)據(jù)；在每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送后，主狀態(tài)機(jī)至少保持在暫停狀態(tài)不少于4個(gè)MCLK周期，若當(dāng)前接收的MSD數(shù)據(jù)有效則使接收單元使能信號有效；當(dāng)主狀態(tài)機(jī)進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)時(shí)，當(dāng)前消息傳送結(jié)束。

2 基于VHDL的主模塊有限狀態(tài)機(jī)的的設(shè)計(jì)
    VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，同時(shí)支持層次化和模塊化設(shè)計(jì)，并且可以進(jìn)行仿真和綜合。
    數(shù)字電路分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩種。組合邏輯電路的輸出只與當(dāng)前輸入有關(guān)，時(shí)序邏輯電路的輸出與當(dāng)前輸入和過去輸入都有關(guān)。狀態(tài)機(jī)是一種廣義的時(shí)序電路，一般包括用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號組合邏輯和存儲狀態(tài)的寄存器邏輯兩部分。
    根據(jù)MTM總線主模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，其基于VHDL有限狀態(tài)機(jī)的代碼如下：
   
  
   

3 仿真驗(yàn)證
    QuartusⅡ是Altera公司推出的集成開發(fā)軟件，使用QuartusⅡ可以完成從設(shè)計(jì)輸入、綜合適配、仿真到編程下載整個(gè)設(shè)計(jì)過程，Quart usⅡ也可以直接調(diào)用Synplify Pro、以及ModelSim等第3方EDA工具來完成設(shè)計(jì)任務(wù)的綜合和仿真。
    文中利用QuartusⅡ9．0版本軟件和Cyclone系列EP1C6Q240C6芯片對所設(shè)計(jì)的MTM總線主模塊狀態(tài)機(jī)的VHDL代碼進(jìn)行了時(shí)序仿真和功能仿真，分別如圖4、圖5所示。

    通過波形圖可以觀察到，該狀態(tài)機(jī)可以很好的實(shí)現(xiàn)主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)M1輸入為“0”時(shí)(此時(shí)M2、M3為無關(guān)狀態(tài))，MTM總線主模塊按照從高到低進(jìn)行消息傳送，直到進(jìn)入“PAUSE”(暫停狀態(tài))然后狀態(tài)回到“xfer16”(S16)繼續(xù)進(jìn)行消息傳送；當(dāng)M1輸入為“1”時(shí)，主模塊無條件進(jìn)入“waiting”(等待狀態(tài))；在主模塊處于“waiting”狀態(tài)時(shí)若M3輸入為“1”狀態(tài)轉(zhuǎn)入“idle”(空閑狀態(tài))再次由高到低位的消息傳送。

    使用VHDL語言描述，語法更為嚴(yán)謹(jǐn)，描述更為清晰簡潔；采用“單進(jìn)程”式狀態(tài)機(jī)描述可以有效地節(jié)省FPGA芯片的資源(表1)，從而進(jìn)一步減少功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語
    文中通過研究MTM總線的基本結(jié)構(gòu)和主從模塊間的通訊協(xié)議，分析了主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并使用VHDL語言設(shè)計(jì)了該有限狀態(tài)機(jī)，并使用QuartusⅡ開發(fā)軟件對該狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該程序可以正確描述主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，該有限狀態(tài)機(jī)使用“單進(jìn)程”式描述，與“三進(jìn)程”和“雙進(jìn)程”式相比程序簡潔明了并且能夠有效地節(jié)省資源，減少功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。