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多狀態(tài)機(jī)的協(xié)同的設(shè)計(jì)的論文
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的需求也在提高[ 1 ]。不僅要有完善的功能,而且對(duì)速度也提出了很高的要求。對(duì)于大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng),都可以劃分為控制單元和數(shù)據(jù)單元兩個(gè)組成部分。通常,控制單元的主體是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī) ,它接收外部信號(hào)以及數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的狀態(tài),產(chǎn)生控制信號(hào)序列。有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何把一個(gè)實(shí)際的時(shí)序邏輯關(guān)系抽象成一個(gè)時(shí)序邏輯函數(shù),傳統(tǒng)的電路圖輸入法通過(guò)直接設(shè)計(jì)寄存器組來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換, 而用硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī), 往往是通過(guò)充分發(fā)揮硬件描述語(yǔ)言的抽象建模能力,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)在系統(tǒng)級(jí)或寄存器傳輸級(jí)進(jìn)行描述來(lái)建立有限狀態(tài)機(jī)。eda 工具的快速發(fā)展,使通過(guò)cad快速設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)自動(dòng)化成為可能。
傳統(tǒng)上在系統(tǒng)級(jí)和寄存器傳輸級(jí)完成vhdl 的描述主要分以下幾步:
(1) 分析控制器設(shè)計(jì)指標(biāo), 建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2) 分析被控對(duì)象的時(shí)序狀態(tài), 確定控制器有限狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3) 應(yīng)用vhdl 語(yǔ)言完成描述。
使用xilinx的ise6.1軟件包的輔助工具statecad能加速有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì),大大簡(jiǎn)化狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。使用statecad進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的流程如下:
(1) 分析控制器設(shè)計(jì)指標(biāo), 建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2) 分析被控對(duì)象的時(shí)序狀態(tài), 確定控制器有限狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3) 在statecad中輸入有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖,自動(dòng)產(chǎn)生vhdl模型描述,使用statebench進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析,分析無(wú)誤后使用導(dǎo)出vhdl模型塊到ise中進(jìn)行仿真后綜合,實(shí)現(xiàn)到cpld或fpga的映射。
設(shè)計(jì)人員的主要工作在第一步。第二步,第三步基本上可以通過(guò)statecad完成有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)生成和分析,還可以利用分析結(jié)果來(lái)對(duì)被控對(duì)象的邏輯進(jìn)行分析,改進(jìn),完善系統(tǒng)控制邏輯。
在需要并行處理的場(chǎng)合,往往需要采用多狀態(tài)機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)的控制任務(wù),這時(shí)狀態(tài)機(jī)之間的同步問(wèn)題往往是設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。如果采用完全人工輸入代碼的方法來(lái)設(shè)計(jì),往往力不從心。采用statecad完成整個(gè)控制邏輯的設(shè)計(jì)并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證更能體現(xiàn)cad設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì),加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度,提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。
下面以一個(gè)雙狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)介紹如何使用statecad進(jìn)行多狀態(tài)機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)。
有二個(gè)狀態(tài)機(jī),一個(gè)負(fù)責(zé)對(duì)m0寫(xiě),一個(gè)負(fù)責(zé)對(duì)m0讀操作,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),系統(tǒng)已經(jīng)盡量簡(jiǎn)化了。
負(fù)責(zé)對(duì)m0寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)包括四個(gè)狀態(tài):
state0:寫(xiě)狀態(tài)機(jī)復(fù)位后初始化;
write0:對(duì)m0寫(xiě),寫(xiě)滿4個(gè)轉(zhuǎn)到m0full;
m0full:m0滿狀態(tài);
m0writewait:等待。m0滿時(shí)轉(zhuǎn)入write0狀態(tài)。
負(fù)責(zé)對(duì)m0讀的狀態(tài)機(jī)包括四個(gè)狀態(tài):
state1:讀狀態(tài)機(jī)復(fù)位后初始化
read0:對(duì)m0讀,讀4個(gè)轉(zhuǎn)到m0empty
m0empty:m0空狀態(tài)
m0readwait:等待。m0空時(shí)轉(zhuǎn)入read0狀態(tài)
負(fù)責(zé)對(duì)m0寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)必須知道m(xù)0是空的,而負(fù)責(zé)對(duì)m0讀的狀態(tài)機(jī)必須知道m(xù)0是滿的才能讀。讀完了通知負(fù)責(zé)對(duì)m0寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)m0是空的,可以寫(xiě)了。二個(gè)狀態(tài)機(jī)同時(shí)并行工作。m0寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)在寫(xiě)操作完了,就等待m0空。m0讀的狀態(tài)機(jī)在讀操作完了,就等待m0滿。在statecad中,狀態(tài)本身可以作為其他狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移條件。這也正是在進(jìn)行多狀態(tài)機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)中最需要的功能,能大大方便多狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。
輸入完?duì)顟B(tài)圖,就基本完成了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。進(jìn)行邏輯優(yōu)化(工具自動(dòng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化)后,使用statebench進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析。以下是自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模擬波形。
由以上的波形看到狀態(tài)機(jī)的工作過(guò)程符合設(shè)計(jì)邏輯。對(duì)單獨(dú)的器件操作也許不需要采用多狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法,但在多器件需要并行工作時(shí),多狀態(tài)機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)就顯得必要了。
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