作者Email: zlyadvocate@163.com
數(shù)字系統(tǒng)通常劃分為信息處理單元和控制單元。信息單元主要進行信息的傳輸和運算, 而控制單元的主要任務(wù)是控制信息處理單元的微操作的順序??刂茊卧膶崿F(xiàn)方式有: 有限狀態(tài)機、控制寄存器和微代碼控制器等。有限狀態(tài)機在時間尺度上對其控制信號進行離散化控制, 利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移使控制信號在有限狀態(tài)機的狀態(tài)節(jié)拍控制下變化, 以實現(xiàn)對被控對象的控制。有限狀態(tài)機設(shè)計的關(guān)鍵是如何把一個實際的時序邏輯關(guān)系抽象成一個時序邏輯函數(shù),傳統(tǒng)的電路圖輸入法通過直接設(shè)計寄存器組來實現(xiàn)各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換, 而用硬件描述語言來描述有限狀態(tài)機, 往往是通過充分發(fā)揮硬件描述語言的抽象建模能力,通過對系統(tǒng)在系統(tǒng)級或寄存器傳輸級進行描述來建立有限狀態(tài)機。EDA 工具的快速發(fā)展,使通過CAD快速設(shè)計有限狀態(tài)機自動化成為可能。
傳統(tǒng)上在系統(tǒng)級和寄存器傳輸級完成VHDL 的描述主要分以下幾步:
(1) 分析控制器設(shè)計指標, 建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2) 分析被控對象的時序狀態(tài), 確定控制器有限狀態(tài)機的各個狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3) 應用VHDL 語言完成描述。
使用XILINX的ISE6.1軟件包能加速有限狀態(tài)機設(shè)計,大大簡化狀態(tài)機的設(shè)計過程,實現(xiàn)狀態(tài)機設(shè)計的自動化。下面分析二個簡單的狀態(tài)機設(shè)計實例來介紹使用ISE6.1軟件包中STATECAD來介紹快速設(shè)計有限狀態(tài)機的方法。使用STATECAD進行狀態(tài)機設(shè)計的流程如下:
(1) 分析控制器設(shè)計指標, 建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2) 分析被控對象的時序狀態(tài), 確定控制器有限狀態(tài)機的各個狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3) 在STATECAD中輸入有限狀態(tài)機狀態(tài)圖,自動產(chǎn)生VHDL模型描述,使用STATEBENCH進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析,分析無誤后使用導出VHDL模型塊到ISE中進行仿真后綜合,實現(xiàn)到CPLD或FPGA的映射。
設(shè)計人員的主要工作在第一步。第二步,第三步基本上可以通過STATECAD完成有限狀態(tài)機的自動生成和分析,還可以利用分析結(jié)果來對被控對象的邏輯進行分析,改進,完善系統(tǒng)控制邏輯。
下面以一個VCR控制機狀態(tài)機設(shè)計過程來介紹如何使用STATECAD設(shè)計狀態(tài)機。
VCR控制機描述:
外部輸入:
1.POWERSWITCH---------電源開關(guān)
2.STOP----------------停按鈕
3.PLAY――――――――播放按鈕
4.RECORD―――――――錄影按鈕
輸出狀態(tài):
1. 有電顯示:電源指示燈亮,播放指示燈滅,錄影指示燈滅;
2. 按播放按鈕,進入播放狀態(tài),播放指示燈亮,電源指示燈亮,錄影指示燈滅;按停按鈕,退出播放狀態(tài)回到有電狀態(tài),播放指示燈滅,電源指示燈亮,錄影指示燈滅;
3. 按錄影按鈕,進入錄影狀態(tài),錄影指示燈亮;按停按鈕,退出錄影狀態(tài)回到有電狀態(tài);電源指示燈亮,播放指示燈滅,錄影指示燈滅;
4. 電源開關(guān)斷開,電源指示燈滅,播放指示燈滅,錄影指示燈滅;
打開STATECAD,輸入如下的狀態(tài)圖:
進行邏輯優(yōu)化(工具自動進行邏輯優(yōu)化)后,使用STATEBENCH進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析。以下是自動狀態(tài)轉(zhuǎn)移模擬波形。
也可以進行行為狀態(tài)模擬:如以下動作的模擬波形,按電源開關(guān)上電,按播放按鈕,按播放按鈕,按停按鈕,按錄影按鈕,按停按鈕,電源開關(guān)斷電。
綜合以上的模擬波形結(jié)果,可以看到狀態(tài)機安裝指定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖工作。
導出VHDL模型塊到ISE中進行仿真后綜合后可以適配到XC9536-5-PC44芯片,適配結(jié)果如下:
宏模塊使用 Pterms Used 寄存器使用情況 引腳使用情況 IOB使用情況
9/36 (25%) 37/180 (21%) 9/36 (25%) 13/34 (39%) 11/72 (16%)
進行引腳鎖定后就可以進行編程。
代碼如下:
-- D:XILINXTUTORIALVCRSTATE.vhd
-- VHDL code created by Xilinx's StateCAD 6.1i
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY VCRSTATE IS
PORT (CLK,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,RESET,STOPSWITCH: IN std_logic ;
PLAYLED,POWERLED,RECORDLED : OUT std_logic);
END;
ARCHITECTURE BEHAVIOR OF VCRSTATE IS
TYPE type_sreg IS (OFF,PLAY,POWERON,RECORDING);
SIGNAL sreg, next_sreg : type_sreg;
SIGNAL next_PLAYLED,next_POWERLED,next_RECORDLED : std_logic;
BEGIN
PROCESS (CLK, RESET, next_sreg, next_PLAYLED, next_POWERLED, next_RECORDLED)
BEGIN
IF ( RESET='1' ) THEN
sreg <= OFF; PLAYLED <= '0';
POWERLED <= '0'; RECORDLED <= '0';
ELSIF CLK='1' AND CLK'event THEN
sreg <= next_sreg; PLAYLED <= next_PLAYLED;
POWERLED <= next_POWERLED; RECORDLED <= next_RECORDLED;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (sreg,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,STOPSWITCH)
BEGIN
next_PLAYLED <= '0'; next_POWERLED <= '0'; next_RECORDLED <= '0';
next_sreg<=OFF;
CASE sreg IS
WHEN OFF =>
IF ( POWERSWITCH='1' ) THEN
next_sreg<=POWERON; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
ELSE
next_sreg<=OFF; next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
WHEN PLAY =>
IF ( POWERSWITCH='1' AND STOPSWITCH='0' ) THEN
next_sreg<=PLAY; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='1'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
IF ( POWERSWITCH='0' ) THEN
next_sreg<=OFF; next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
IF ( STOPSWITCH='1' AND POWERSWITCH='1' ) THEN
next_sreg<=POWERON; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
WHEN POWERON =>
IF ( POWERSWITCH='0' ) THEN
next_sreg<=OFF; next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
ELSIF ( RECORDSWITCH='1' ) THEN
next_sreg<=RECORDING; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='1';
ELSIF ( PLAYSWITCH='1' ) THEN
next_sreg<=PLAY; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='1'; next_RECORDLED<='0';
ELSE
next_sreg<=POWERON; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
WHEN RECORDING =>
IF ( POWERSWITCH='1' AND STOPSWITCH='0' ) THEN
next_sreg<=RECORDING; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='1';
END IF;
IF ( POWERSWITCH='0' ) THEN
next_sreg<=OFF; next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
IF ( STOPSWITCH='1' AND POWERSWITCH='1' ) THEN
next_sreg<=POWERON; next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
END IF;
WHEN OTHERS =>
END CASE;
END PROCESS;
END BEHAVIOR;
整個狀態(tài)機實現(xiàn)過程比相當簡單??旖?。有效。