狀態(tài)機(jī)“毛刺”的產(chǎn)生及消除方法
隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展, 以大規(guī)模和超大規(guī)模器件FPGA/CPLD為載體、以VHDL(硬件描述語言)為工具的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越廣泛。有限狀態(tài)機(jī)(簡稱狀態(tài)機(jī))作為數(shù)字系統(tǒng)控制單元的重要設(shè)計(jì)方案之一，無論與基于VHDL語言的其他設(shè)計(jì)方案相比，還是與可完成相似功能的CPU設(shè)計(jì)方案相比，在運(yùn)行速度的高效、執(zhí)行時間的確定性和高可靠性方面都顯現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢。因此狀態(tài)機(jī)在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地位日益凸顯。
1 狀態(tài)機(jī)“毛刺”的產(chǎn)生
狀態(tài)機(jī)通常包含主控時序進(jìn)程、主控組合進(jìn)程和輔助進(jìn)程三個部分。其中，主控組合進(jìn)程的任務(wù)是根據(jù)外部輸入的控制信號和當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)值確定下一狀態(tài)的取向，并確定對外輸出內(nèi)容和對內(nèi)部其他組合或時序進(jìn)程輸出控制信號的內(nèi)容。一方面，由于有組合邏輯進(jìn)程的存在，狀態(tài)機(jī)輸出信號會出現(xiàn)毛刺——競爭冒險現(xiàn)象;另一方面，如果狀態(tài)信號是多位值的，則在電路中對應(yīng)了多條信號線。由于存在傳輸延遲，各信號線上的值發(fā)生改變的時間則存在先后，從而使得狀態(tài)遷移時在初始狀態(tài)和目的狀態(tài)之間出現(xiàn)臨時狀態(tài)——毛刺。
例如，采用Moore型有限狀態(tài)機(jī)方案對ADC0809采樣過程實(shí)現(xiàn)控制，其主要程序如下：
begin
lock <=lock1;
process(current_state,eoc)
begin
case current_state IS
when st0=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st1;
when st1=>ale<=‘1’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st2;
when st2=>ale<=‘0’;start<=‘1’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st3;
when st3=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
if (eoc=‘1’) then next_state <=st3;
else next_state <=st4;
end if;
when st4=> ale <=‘0’;start <=‘0’;OE<=‘0’;lock1<=‘0’;
if (eoc =‘0’) then next_state <=st4;
else next_state <=st5;
end if;
when st5=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe<=‘1’;lock1<=‘0’;
next_state <=st6;
when st6=> ale <=‘0’; start <=‘0’; oe <=‘1’;lock1<=‘1’;
next_state <=st0;
when thers=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe <=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st0;
end case;
end process;
process (clk)
begin
if (clk’event and clk =‘1”) then
current_state <=next_state;
end if;
end process;
process(lock1)
begin
if lock1=‘1’ and lock1’event then
regl<=d;
end if;
end process;
q<=regl;
……
其時序仿真波形如圖1所示。
Moore型狀態(tài)機(jī)組成框圖如圖2所示。
因?yàn)镸oore型狀態(tài)機(jī)的輸出信號來自組合邏輯——輸出譯碼器，輸出信號中帶有“毛刺”，且引起了輸出信號Q的誤動作,結(jié)果從其仿真時序圖中可以發(fā)現(xiàn)。
2 毛刺的消除
在同步電路中，一般情況下“毛刺”不會產(chǎn)生重大影響。因?yàn)椤懊獭眱H發(fā)生在時鐘有效邊沿之后的一小段時間內(nèi)，只要在下一個時鐘有效邊沿到來之前“毛刺”消失即可。但當(dāng)狀態(tài)機(jī)的輸出信號作為其他功能模塊的控制信號，例如作為異步控制、三態(tài)使能控制或時鐘信號使用時，將會使受控模塊發(fā)生誤動作，造成系統(tǒng)工作混亂。因此，在這種情況下必須通過改變設(shè)計(jì)消除毛刺。
消除狀態(tài)機(jī)輸出信號的“毛刺”一般可采用三種方案：
(1)調(diào)整狀態(tài)編碼，使相鄰狀態(tài)間只有1位信號改變，從而消除競爭冒險的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。常采用的編碼方式為格雷碼。它適用于順序遷移的狀態(tài)機(jī)。
(2)在有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上采用時鐘同步信號，即把時鐘信號引入組合進(jìn)程。狀態(tài)機(jī)每一個輸出信號都經(jīng)過附加的輸出寄存器,并由時鐘信號同步，因而保證了輸出信號沒有毛刺，如圖3所示。這種方法存在一些弊端：由于增加了輸出寄存器,硬件開銷增大，這對于一些寄存器資源較少的目標(biāo)芯片是不利的;從狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)位到達(dá)輸出需要經(jīng)過兩級組合邏輯,這就限制了系統(tǒng)時鐘的最高工作頻率;由于時鐘信號將輸出加載到附加的寄存器上,所以在輸出端得到信號值的時間要比狀態(tài)的變化延時一個時鐘周期。
(3)直接把狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)碼作為輸出信號，即采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機(jī)，使?fàn)顟B(tài)和輸出信號一致,使得輸出譯碼電路被優(yōu)化掉了，因此不會出現(xiàn)競爭冒險。這種方案，占用芯片資源少，信號與狀態(tài)變化同步，因此速度快，是一種較優(yōu)方案。但在設(shè)計(jì)過程中對狀態(tài)編碼時可能增加狀態(tài)向量，出現(xiàn)多余狀態(tài)。雖然可用CASE語句中WHENOTHERS來安排多余狀態(tài)，但有時難以有效控制多余狀態(tài),運(yùn)行時可能會出現(xiàn)難以預(yù)料的情況。因此它適用于狀態(tài)機(jī)輸出信號較少的場合。
若對ADC0809的采樣控制采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機(jī)方案，其主要程序如下：
begin
lock<=lock1;
process(current_state,eoc)
begin
case current_state IS
when st0 => next_state <=st1;
when st1 => next_state <=st2;
when st2 => next_state <=st3;
when st3 => if (eoc =‘1’)then next_state <=st3; else next_state <=st4;end if;
when st4 => if (eoc =’0’)then next_state<=st4;else next_state <=st5; end if;
when st5 => next_state <=st6;
when st6 => next_state <=st0;
when thers=> next_state <=st0;
end case;
out4<=current_state(5 downto 2);
ale<=current_state(5); start <=current_state(4);
oe<=current_state(3); lock1<=current_state(2);
end process;
process(clk)
begin
if (clk’event and clk =‘1’) then
current_state <=next_state;
end if ;
end process ;
process (lock1)
if lock1=‘1’ and lock1’event then
regl<=d ;
end if ;
end process ;
q<=regl;
……
在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中狀態(tài)機(jī)不僅很好地解決了系統(tǒng)的控制問題，而且性能靈活。但由于其輸出信號有產(chǎn)生毛刺的可能，為避免造成系統(tǒng)工作混亂，必須針對不同的情況采取適當(dāng)措施來消除毛刺。
來源:彬彬0次
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