FPGA/CPLD狀態機的穩定性設計

　　wait until clk'event and clk='1';

　　current_state=next_state;

　　end process state_change;

　　combination:process(current_state,mach_input)

　　…… --輸出狀態值譯碼,給next_state賦新值.省略

　　end behave;

　　圖2　枚舉類型的狀態機綜合后的波形

　　例1是一個四狀態全編碼狀態機,綜合后的仿真波形如圖2所示.從放大后的局部可以看出輸出狀態值從“01”到“10”轉換過程中出現了過渡狀態“11”.從微觀上分析中間信號“Current_state”狀態轉換過程,狀態寄存器的高位翻轉和低位翻轉時間是不一致的,當高位翻轉速度快時,會產生過渡狀態“11”,當低位翻轉速度快時會產生過渡狀態“00”.若狀態機的狀態值更多的話,則產生過渡狀態的概率更大.如果在非全編碼狀態機中,由于這種過渡狀態的反饋作用,將直接導致電路進入非法狀態,若此時電路不具備自啟動功能,那么電路將無法返回正常工作狀態.

　　因為狀態機的輸出信號常用作重要的控制,如:三態使能,寄存器清零等.所以這種結果是不允許的,如何消除此類過渡狀態呢?方法之一是采用格雷碼表示狀態值.

　　2.2　用格雷碼表示狀態值

　　格雷碼的特點是任意相鄰兩個數據之間只有一位不同,這一特點使得采用格雷碼表示狀態值的狀態機,可以在很大程度上消除由延時引起的過渡狀態.將例1改進之后的程序如例2.

　　例2　采用格雷碼表示狀態值的狀態機.

　　library ieee;

　　use ieee.std_logic_1164 all;

　　entity example is

　　port(clk:in std_logic;

　　mach_input:in std_logic;

　　mach_outputs:out std_logic_vector(0 to 1));

　　end example;

　　architecture behave of example is

　　constant st0:std_logic_vector(0 to 1):=00;

　　constant st1 :std_logic_vector(0 to 1):=01;

　　constant st2:std_logic_vector(0 to 1):=11;

　　constant st3:std_logic_vector(0 to 1):=10;

　　signal current_state,next_state:std_logic

　　vector(0to1);

　　begin

　　……

　　endbebave;

　　采用該方法,寄存器的狀態在相鄰狀態之間跳轉時,只有一位變化,產生過渡狀態的概率大大降低.但是當一個狀態到下一個狀態有多種轉換路徑時,就不能保證狀態跳轉時只有一位變化,這樣將無法發揮格雷碼的特點.

　　2.3　定義“ONEHOT”風格的狀態值編碼

　　雖然VHDL語言的目標之一是遠離硬件,但是到目前為止并沒有完全實現,所以VHDL程序在針對不同的器件綜合時,仍然會有很大差異.特別是FPGA器件,當我們采用格雷表示狀態值,描述一個簡單的狀態機時,就可能出現不穩定結果.在針對FPGA器件寫程序時,我們可以將狀態值定義為“ONEHOT”風格的狀態碼,將上例稍作修改,見例3.

　　例3　采用“ONEHOT”編碼的狀態機

　　library ieee;

　　use ieee std_logic_1164.all;

　　entity example is

　　port(clk:in std_logic;