基于Petri網(wǎng)的并行控制器的VHDL實現(xiàn)

Petri網(wǎng)是異步并發(fā)系統(tǒng)建模與分析的一種重要工具，1962年由德國科學(xué)家C.A.Petri博士創(chuàng)立。40多年來，Petri網(wǎng)理論得到了很大的豐富和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，越來越受到國際同行的重視，已成為計算機(jī)、自動化和通信領(lǐng)域的熱門研究課題。Petri網(wǎng)既有直觀的圖形表示，又有深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；既是層次化的結(jié)構(gòu)模型，又能反映系統(tǒng)的動態(tài)性能[1][2]。用硬件描述語言進(jìn)行電路和系統(tǒng)設(shè)計是當(dāng)前EDA技術(shù)的重要特征，它使得設(shè)計者能在較抽象的層次上進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特征的設(shè)計。VHDL作為一種高速的硬件描述語言適于描述設(shè)計異步并發(fā)的系統(tǒng)，因而可與Petri網(wǎng)模型建立聯(lián)系。用VHDL對模型進(jìn)行程序設(shè)計，為模型的硬件實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。隨著大規(guī)模、高密度的可編程邏輯器件FPGA和CPLD的問世與應(yīng)用方面的迅速推廣，并且有各種EDA軟件工具的支持，使得人們可以根據(jù)Petri網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用硬件加以實現(xiàn)，以使Petri網(wǎng)的硬件實現(xiàn)成為可能。因此，基于Petri網(wǎng)的智能化的并行控制器的設(shè)計與硬件實現(xiàn)的課題引起了人們的強(qiáng)烈興趣。利用Petri網(wǎng)技術(shù)，不僅可以用來進(jìn)行設(shè)計、分析和驗證，還能夠進(jìn)行優(yōu)化控制。

　　微電子技術(shù)發(fā)展到今天，已提供了幾千至幾千萬個標(biāo)準(zhǔn)門的芯片。特別是在系統(tǒng)可編程技術(shù)，可有條件地在一個芯片上設(shè)計制作一個數(shù)字系統(tǒng)，即系統(tǒng)芯片(System on Chip，SoC）。國內(nèi)市場上常見的Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司的FPGA和CPLD芯片，一般都能滿足設(shè)計SoC的需要，并且都提供了EDA軟件開發(fā)工具。而且在現(xiàn)有的軟件開發(fā)工具中，有電路圖、狀態(tài)圖、真值表和硬件描述語言等輸入方式。但設(shè)計片上并行控制器，難以用電路圖或邏輯方程輸入方式實現(xiàn)；如果用狀態(tài)圖或真值表輸入方式，隨著問題復(fù)雜程度的增加，系統(tǒng)的狀態(tài)將發(fā)生組合爆炸，這是十分棘手的問題。而且有限狀態(tài)機(jī)（FSM）雖已被廣泛運用到數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)，也只是因為它給出了系統(tǒng)化的硬件實現(xiàn)方法和具體的實現(xiàn)模型（如Moore自動機(jī)和Mealy自動機(jī)），用FSM實現(xiàn)并行控制器也十分困難。因為FSM必須于設(shè)計前劃分控制器，所以常常會導(dǎo)致非最優(yōu)的門級實現(xiàn)，且使設(shè)計中并發(fā)的數(shù)量受到使用FSM數(shù)量的限制，同時FSM間相互依賴，使得設(shè)計難于驗證且易產(chǎn)生并行同步錯誤（如死鎖、丟失數(shù)據(jù)的完整性）。上述這些缺點只有設(shè)計遍歷整個狀態(tài)空間時才能驗證，因而可能被漏檢[3]。若用硬件描述語言輸入，遇到的困難是模型和驗證。

　　針對傳統(tǒng)的設(shè)計方法不太適合并行控制器設(shè)計的問題，本文介紹一種使用硬件描述語言VHDL來實現(xiàn)基于Petri網(wǎng)的并行控制器的方法。首先使用Petri網(wǎng)對問題進(jìn)行建模，并對模型進(jìn)行分析和控制，獲得控制器的Petri網(wǎng)模型；然后用VHDL對Petri網(wǎng)控制模型加以描述，得到源文件；最后通過EDA軟件開發(fā)工具M(jìn)ax+PlusⅡ進(jìn)行編譯、模擬、適配，并下載到可編程邏輯器件中。

　　1 Petri網(wǎng)簡介[2]

　　定義：四元組Ε=(B，E；F，C)能構(gòu)成條件/事件系統(tǒng)(condition/event system，C/E系統(tǒng)）的要求是：

　　2 實現(xiàn)的基本方法

　　Petri網(wǎng)本身就是一種硬件描述語言，是一種高度抽象的、結(jié)構(gòu)化的并發(fā)語言。Petri網(wǎng)非常適合于復(fù)雜離散系統(tǒng)的建模和形式化分析，而VHDL則是一種標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言，可以解決數(shù)字系統(tǒng)描述中并發(fā)性問題，允許其仿真和綜合。Petri網(wǎng)和VHDL可以相互補(bǔ)充，并且也可以提供一個驗證子系統(tǒng)接收所有設(shè)計任務(wù)相同的用戶接口描述[4]。并行控制器的VHDL文本Petri網(wǎng)描述在一個實際設(shè)計中可獲得50%的面積減少及40%的速度改善(相對于最好的FSM綜合)[4]。

　　用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷韺崿F(xiàn)由Petri網(wǎng)描述的并行控制器，其實現(xiàn)的基本步驟如下：

　　(1)對實際系統(tǒng)建立Petri網(wǎng)系統(tǒng)模型。

　　(2)采用Petri網(wǎng)軟件工具對所建立的Petri網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析并加以控制，建立監(jiān)控器的Petri網(wǎng)系統(tǒng)模型。

　　(3)確定輸入輸出變量并選擇相應(yīng)的FPGA或CPLD器件。

　　(4)根據(jù)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定條件與事件間的邏輯關(guān)系，用硬件描述語言如VHDL對Petri網(wǎng)模型進(jìn)行描述。

　　(5)以VHDL描述作為設(shè)計輸入，通過EDA軟件開發(fā)工具，如ispDesign EXPERT或Max＋PlusⅡ等，進(jìn)行編譯、模擬、適配，然后下載到器件中。

　　整個硬件實現(xiàn)的流程圖如圖1所示。

　　3 基于Petri網(wǎng)的并行控制器設(shè)計舉例

　　3.1 系統(tǒng)描述

　　從文獻(xiàn)[5]中選擇了一個如圖2所示的并行控制器設(shè)計例子，這是一個用于說明離散事件系統(tǒng)控制器設(shè)計的典型示例。它有3個盛放液體的罐子：V1、V2、V3，其中V1、V2是用來盛放不同種液體F1、F2的，M是攪拌系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。系統(tǒng)停止時，指示燈Y0亮。當(dāng)起動按鈕按下時（X0=1），閥Y1、Y2打開，2種不同的液體F1、F2分別注入V1、V2。當(dāng)V1中的液體到達(dá)X1位置時，Y1關(guān)閉；當(dāng)V2中液體到達(dá)X3時，閥Y2關(guān)閉。當(dāng)V1、V2中的液體分別都到達(dá)X1、X3時，Y3、Y4同時打開；當(dāng)V1、V2中液體分別都低于X2、X4時，Y3、Y4關(guān)閉，同時Y6打開。當(dāng)V3中液體高于X5時，Y5閉合，電動機(jī)M開始攪拌；當(dāng)V3中液體流出低于X6時，Y6關(guān)閉，指示燈亮，重新回到原來狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)控制部分的控制解釋Petri網(wǎng)模型

　　用Petri網(wǎng)對系統(tǒng)控制部分進(jìn)行描述，得到的控制解釋Petri網(wǎng)模型如圖3所示。模型中輸入輸出信號的描述如表1所示，描述的局部狀態(tài)如表2所示。

　　3.3 模型的VHDL實現(xiàn)

　　用VHDL實現(xiàn)的部分源代碼如下：

　　3.4 基于Max+PlusⅡ的并行控制器仿真

　　在MAX+PlusⅡ中經(jīng)編譯后進(jìn)行功能仿真，仿真波形如圖4所示。波形表明結(jié)果是正確的。

　　4 結(jié) 論

　　Petri網(wǎng)是并發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)有力的建模工具，通過對Petri網(wǎng)模型的分析，可以獲得系統(tǒng)的許多結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能，根據(jù)控制策略，還可以建立系統(tǒng)的控制模型并獲得系統(tǒng)在控制作用下的性能。以上討論證明，基于Petri網(wǎng)的并行控制器可以用VHDL實現(xiàn)，從而開辟了并行控制器設(shè)計與實現(xiàn)的新途徑。